WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 | 4 |
-- [ Страница 1 ] --

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РФ Алтайский государственный университет В.А. Батенков ОХРАНА БИОСФЕРЫ Допущено Отделением химии УМО по классическому университетскому образованию РФ в качестве

методического пособия для студентов химического факультета Алтайского государственного университета Барнаул – 2002 ББК 20.1 Б 281 Рецензенты:

ст. научный сотрудник МГУ, доктор химических наук И.В. Перминова кандидат биологических наук Г.Г. Соколова Б 281 Батенков В.А.

Охрана биосферы: Учебно-методическое пособие. – Барна ул: Изд-во Алт. ун-та, 2002. – 193 с.

ISBN 5-7904-0249-6 В пособии изложены основы учения биосферы, виды воз действия на нее человека, вопросы организации охраны биосферы, основы рационального природопользования. Подробно описаны методы и процессы очистки от загрязнений атмосферы, воды и су ши, в частности химические и физические методы.

Предназначено для студентов химических и других естест венных факультетов государственных университетов.

ISBN 5-7904-0249- © В.А. Батенков, © Алтайский государственный университет, Мы не можем управлять природой иначе, как подчиняясь ей.

Фрэнсис Бэкон, XVII в.

ПРЕДИСЛОВИЕ Необходимость экологического воспитания и обучения лю дей Земли становится не только актуальной, но уже кричащей, уже нетерпящей отложения современной проблемой. Быстрый, экспо ненциальный рост населения, требующий тысячекратных затрат природных ресурсов на каждого человека, особенно продуцентов, ведет к их быстрому истощению. Сокращаются леса, уменьшаются площади пахотных земель и их плодородие, выше всяких норм за грязняется вредными веществами воздух городов, вода рек, водо емов, растут пустыни, горы отходов.

Однако большинство населения Земли, включая многие вла стные структуры, не осознает надвигающейся глобальной угрозы жизни не только человеку, но и всему живому. По-прежнему гос подствует беспечное, хищническое отношение человека к Природе, к биосфере и даже к самому себе (курение, пьянство, войны). Мно гие считают, хотя это далеко не так, что человек – высшее (божест венное) создание, он – гегемон природы, ему все дозволено, ему все подчиняется, природа – его служанка, его собственность, он может ее преобразовывать и улучшать, он способен решать любые задачи экологии, биосферы, потребностей человека и т.д. Подобное мировоззрение владеет бесспорно большинством людей и постоян но воспроизводится современным воспитанием, обучением, жиз ненной действительностью. И в этом кроется главная экологиче ская опасность, поскольку такое укоренившееся мировоззрение миллиардов людей очень трудно развернуть в нужном для их же спасения направлении и исключить их деятельность, губительную для биосферы.

Цель данного пособия – внести скромный вклад в экологиче ское просвещение, прежде всего молодежи, которая будет строите лем новых отношений в биосфере. В сжатой форме и относительно просто изложены основы учения о биосфере, виды воздействия на нее человека, основы рационального природопользования, вопросы организации охраны биосферы. Более подробно описаны методы и процессы очистки от загрязнений атмосферы, воды и суши, в част ности, химические и физико-химические методы. Эти процессы – важный элемент создания безотходных технологий. Пособие пред назначено прежде всего для студентов-химиков АГУ, которым ав тор несколько лет читал курс лекций по «Охране природы», а в по следние годы – элективный курс «Охрана биосферы».

1. ОСНОВЫ УЧЕНИЯ О БИОСФЕРЕ 1.1. Понятия и терминология 1.1.1. Предмет курса охраны биосферы Охрана биосферы – это совокупность международных, го сударственных, политических, правовых, технических, социально экономических, общественных и других природоохранных меро приятий, направленных на оптимальное сохранение устойчивого равновесия в биосфере, благоприятного для жизнедеятельности живых организмов, на рациональное использование, воспроизвод ство и сохранение материальных и энергетических природных ре сурсов и параметров природных систем в интересах существующих и будущих поколений людей.

Речь идет об охране от загрязнения и вредного воздействия атмосферного воздуха, вод, земель, недр, растительного и животного мира, рыбных запасов;

о сохранении в естественном виде ландшаф тов;

о рациональном использовании других природных ресурсов.

Охрана биосферы как учебная дисциплина рассматривает общие принципы и методы обеспечения и восстановления условий жизни и природных ресурсов.

Предмет курса охраны биосферы – объекты живой и неор ганичной природы и их взаимосвязь;

взаимодействие на эти объек ты, на их взаимосвязь различных факторов;

проблемы охраны био сферы и среды от вредных воздействий;

воспроизводство и сохра нение природных ресурсов.

Основная задача курса – довести до сознания студентов элементы экологического мировоззрения, в основе которого лежит представление о единстве и взаимосвязи всех природных биоген ных процессов, об их изменении под воздействием антропогенных факторов.

Для химиков такие знания особенно важны, поскольку ос новные загрязнители природы – продукты химических процессов.

Именно химики способны грамотно и правильно решать проблемы утилизации загрязнителей биосферы, проблемы защиты и охраны биосферы.

1.1.2. Понятия, терминология Природа – все вещественное, естественное, все мироздание (Вселенная), все зримое, подлежащее пяти чувствам. В узком смысле: природа – это наш окружающий мир, Земля со всеми есте ственными произведениями на ней.

Биосфера – область распространения жизни на Земле, где осуществляется постоянное взаимодействие всего живого с неорга ническими условиями среды. Биосфера охватывает биолитосферу (верхние слои литосферы), всю гидросферу и тропосферу.

Термин «биосфера» впервые был предложен в 1875 г. авст рийским геологом Э. Зюссом. Основоположником современных представлений о биосфере является академик В.И. Вернадский (1863–1945).Он писал: «Биосфера – область существования живого вещества… Химическое состояние наружной коры нашей планеты, биосферы всецело находится под влиянием жизни, определяется живыми организмами».

Природная среда – место обитания живых организмов, в ча стности, человека, которая характеризуется совокупностью физи ческих, химических и биологических факторов, способных оказы вать прямое и косвенное воздействие на организмы.

Широко используемое словосочетание «Окружающая сре да» является тавтологией, так как «среда» и «окружение» одно и то же (синонимы).

Компоненты биосферы, помимо минеральных (косное и био костное) веществ – это живое и биогенное вещество.

Живое вещество (по В.И. Вернадскому) – совокупность тел всех живых организмов, населяющих Землю. Оно представлено биомассой растений, животных, микроорганизмов, т.е. количест вом их живого вещества. Например: биомасса суши – около т, океана – 31010 т. На суше масса растений составляет 98–99%, зоомасса – 1–2%.

Биогенное вещество – продукты жизнедеятельности орга низмов: их выделения, трупы, мертвые остатки, продукты разложе ния, гумус, торф, уголь, нефть, отложения карбонатов и т.п. В ре зультате фотосинтеза растительность Земли ежегодно образует около 100 млрд т органического вещества. При этом усваивается около 200 млрд т углекислого газа и выделяется во внешнюю среду около 145 млрд т кислорода.

Биоценоз (греч. bios – жизнь, koinos – общий) – совокуп ность популяций всех видов живых организмов, населяющих опре деленную географическую территорию, отличающуюся от сосед них территорий по химическому составу почв, вод и другим физи ческим показателям (солнечное облучение, высота над уровнем моря и т.п.).

Его растительный компонент – фитоценоз;

животный – зоо ценоз;

микроорганизмы – микробиоценоз.

Биотоп – участок среды обитания живых организмов с одно родными условиями.

Ноосфера (сфера разума) – высшая стадия развития биосфе ры, связанная с возникновением и развитием в ней человечества, когда разумная человеческая деятельность становится главным оп ределяющим фактором глобального развития. По В.И. Вернадско му, «ноосфера есть новое геологическое явление на нашей плане те»;

«Человечество, взятое в целом, становится мощной геологиче ской силой. И перед ним, перед его мыслью и трудом становится вопрос о перестройке биосферы в интересах свободно мыслящего человечества как единого целого»;

«Человек выступает в роли главной движущей силы природного процесса, великой, быть мо жет, космической силы».

1.1.3. Экология Экология (греч. oikos – дом, родина;

logos – учение) – наука, изучающая условия существования живых организмов, их взаимо связь и взаимоотношения между собой и средой, в которой они обитают.

Впервые этот термин был введен в науку в 1866 г. Э. Гекке лем.

В развитии экологии выделяют следующие этапы. I – до конца XVIII в., когда происходило накопление данных о жизни ор ганизмов и их взаимосвязи;

II – с 1807 г. – создание экологических направлений (А. Гумбольд);

III – с 1859 г. – формирование эколо гии животных и растений как науки на основе учения Ч. Дарвина о борьбе организма за существование;

IV этап– с 20-х гг. ХХ в. – становление экологии как общей биогеохимической науки.

Разделы экологии. В настоящее время экология – это фи лософия о жизни на Земле, ибо в нее включают очень широкий спектр биологических, технических, социально-экономических и иных дисциплин. Так, в зависимости от научно-технической облас ти изучения различают биосферную, сельскохозяйственную, про мышленную, химическую, математическую, медицинскую, эконо мическую, юридическую, социальную и другие виды экологии.

С учетом природной среды и ее компонентов выделяют эко логию лесов, тундр, морей, пресных водоемов, городов и т.д.

В зависимости от числа или размера изучаемого объекта эко логию делят на автоэкологию – экологию отдельной особи, попу ляционную и синэкологию (греч. syn – вместе) – экологию биохими ческого сообщества, географическую – крупные геоэкосистемы, глобальную – учение о биосфере Земли.

Автоэкология (факториальная экология) изучает взаимо отношение представителей отдельного вида живых организмов с природной средой. Она исследует совокупность экологических факторов, действующих на особь, и ответные реакции особи на их действия.

Популяционная экология изучает колебания численности естественных группировок (популяций) того или иного вида живых организмов территории и причины этих колебаний.

Синэкология (биогеоценология) изучает взаимоотношения между разными популяциями данного биосообщества и их особя ми, а также между ними и природной средой.

Экология человека – особый, наиболее обширный раздел экологии, поскольку человек и человеческое сообщество не только пассивный, но и преобразующий субъект природы, биосферы, при родной среды. Человек относится к типу позвоночных, классу мле копитающих, подклассу плацентарных, легиону приматов, отряду обезьян, семейству гоминад.

1.1.4. Экосистемы Экосистема – уравновешенное сообщество живых организ мов и природной среды.

Биогеоценоз: 1) участок биосферы, однородный по топогра фическим, микроклиматическим, гидрологическим и биотическим условиям;

2) совокупность растений, животных, микроорганизмов, почвы и атмосферы на однородном участке суши.

Одни ученые считают, что термины «экосистема» (А. Тенс ли, 1935 г.) и «биогеоценоз» (В.Н. Сукачев, 1964 г.) – синонимы, другие полагают, что экосистема – более широкое понятие.

Классификация экосистем подразделяется в зависимости от деятельности человека: естественные экосистемы, т.е. сохранив шиеся в неприкосновенности;

модифицированные экосистемы, т.е. изменившиеся от деятельности человека;

трансформирован ные экосистемы, т. е. преобразованные человеком.

Экосистемы также различают по размерам: микро- (гнию щий пень), мезо- (роща, пруд), макро- (океан, континент), гло бальная экосистема (биосфера);

по виду природной среды: назем ные (сухопутные), береговые (литоральные), озерные (лимниче ские), морские и др.

Основные элементы экосистем:

абиотическая (неживая) среда – минеральные и биоген ные вещества;

продуценты (производители) – живые существа (растения, фитобактерии), способные с помощью солнечной энергии строить посредством фотосинтеза из углекислого газа, воды и минеральных веществ органические соединения;

консументы (лат. consumo – потребление) – потребители органической продукции: травоядные животные – консументы порядка, хищники – консументы 2 порядка;

редуценты – организмы (черви, грибы, бактерии, организ мы почвы), разлагающие трупы животных, растения, органические вещества. Конечные продукты разложения: СО2, NH3, вода и др.

1.2. Возникновение жизни и эволюция биосферы 1.2.1. Стадии эволюции Земли и биосферы Эволюция (лат. evolutio – развертывание) биосферы обуслов лена, во-первых, эволюцией Земли как космического объекта и, во вторых, эволюцией сообществ живых организмов.

Нитархей (греч. nitos – скорлупа ореха, archaios – древний) – начальная эпоха Земли, примерно с 4,5 до 3,5 млрд лет назад. По верхность Земли голая, покрыта гранитами и гнейсами. Осадочных пород нет. Действуют вулканы, дуют ветры. Состав исходных, ювениальных газов: N2, H2O, CO2. Есть NH3, CH4. Мало CO, H2.

Свободного кислорода O2 – следы.

Архей: 3,5–2,4 млрд лет назад. Начиная примерно с 3,5 млрд лет наблюдаются древнейшие осадки. Появляются условия для хи мического образования органических соединений и затем, пример но с 3 млрд лет, – возникновения жизни. Первые живые организ мы (прокариоты – безъядерные, простейшие бактерии-продуценты.

Они способны жить в анаэробной (без О2) среде под слоем воды, защищающем их от жесткого ультрафиолетового изучения, связы вать СО2 и соединения азота, использовать хемогенные органиче ские вещества, генерировать кислород как продукт их жизнедея тельности. Появление в атмосфере и гидросфере биогенного ки слорода в равновесии с Fe2+ привело к постепенному образованию полосчатых железорудных формаций Fe2+. Последние считают ин дикатором генезиса кислорода в атмосфере древней Земли и, как следствие, – индикатором развития ранней жизни на Земле.

Протерофит (греч. proteros – первый, phiton – растение) – 2,4-2 млрд лет назад. Появление сине-зеленых водорослей ускори ло образование атмосферного кислорода, что подтверждает широ кое развитие полосчатых железорудных образований Fe2+. В атмо сфере уменьшилось содержание NH3, CH4, H2, увеличилось количе ство O2.

Протерозой (греч. zoe – жизнь): 2–0,7 млрд лет назад. Рас цвет эпохи одноклеточных организмов и сине-зеленых водорослей.

Увеличилось содержание кислорода в атмосфере до 3%. Появились окисленные красноцветные отложения Fe3+. Происходило образо вание биогенных осадков (нефть), карбонатов кальция и магния.

Фанерозой (fhaneros – явный). 600–400 млн лет назад. В океане появились первые многоклеточные организмы: губки, ко раллы, черви, моллюски, водоросли. 400 млн лет назад жизнь вышла на сушу, что сопровождалось быстрым ростом содержания кислорода и биомассы. 200 млн лет назад содержание O2 в воздухе достигло 21%, рост биомассы замедлился.

В истории Земли эволюция биосферы и ее ресурсов иногда сопровождалась глобальными катастрофами экологического плана, что приводило к смене представителей животного и растительного мира. Так, например, массовые выбросы вулканов, горение углей и газов приводили к обширным сокращениям лесов, растительности и разрастанию пустынь, периоды похолоданий (обледенений) – к массовой гибели популяций животных и растений и т. п. Однако живой мир все же сохранился.

1.2.2. Эволюция человека Предполагается, что человек как биологический вид появил ся около 5 млн лет назад. Древнейшие каменные орудия датиру ются в 2,5 млн лет. Заселение Америки началось 25–30 тыс. лет на зад. С этих времен он активно стал заниматься охотой. Стадный образ жизни человека, использование огня, возникновение обмена и закрепление информации в виде разговорного языка, а позже и в ви де письменности быстро продвинули человека на значительно более высокую ступень развития, чем любого другого вида животных.

Около 10 тыс. лет назад человек, вместо приспособления к внешним условиям начал приспосабливать объекты природы к своим нуждам: разводить животных, возделывать поля и т.п. В от личие от животного мира, где существуют такие природные факто ры регуляции численности особей, как голодная смерть, конкурен ция, хищничество, болезни, человек стал стремиться исключить или уменьшить воздействие на себя подобных факторов. Создание и совершенствование орудий труда привело к развитию ремесел, росту хозяйственной деятельности людей и возникновению первых цивилизаций. Это способствовало быстрому росту численности людей, их жизненного обеспечения, образования, культуры и, как следствие, – к развитию техники, городов.

1.3. Факторы, воздействующие на биосферу 1.3.1. Факторы, воздействующие на живые организмы Экологические факторы – это условия среды, оказываю щие существенные влияние на живые организмы. Их три груп пы: биотические, связанные с влиянием живых веществ;

абиоти ческие – факторы неживой среды;

антропогенные, связанные с дея тельностью человека.

Биотические факторы. Они определяются формой взаимо связей и взаимоотношений живых организмов, прямым воздейст вием одних из них на другие. Жизнедеятельность одного вида ор ганизмов может осуществляться без или с угнетением или подав лением других видов. Эти взаимоотношения – нейтрализм, конку ренция, паразитизм, хищничество, симбиоз и т.п. – складываются при совместном обитании, питании, размножении. Поэтому их де лят на три группы: топические, трофические, генеративные.

Топические (греч. topikos – местность) отношения – это взаимоотношения организмов при совместном проживании.

Трофические (греч. troph – питание) отношения, связанные с питанием. По способу питания живые организмы делятся на авто- и гетеротрофные.

Автотрофные организмы (продуценты) способны сами соз давать себе пищу, синтезируя органические соединения из неорга нических веществ.

Гетеротрофные организмы используют для питания живые растения и их плоды (консументы) или мертвые растительные или животные остатки (редуценты).

Генеративные отношения – это те, которые складываются на основе размножения.

Абиотические факторы. К ним относят климатические, эдафические (почвенные), химические факторы.

Климатические факторы – это температура, влажность, ве тер, свет. Лучистая энергия Солнца – основной источник жизни на Земле. Она обеспечивает нужный температурный режим и фото синтез зеленых растений, т.е. весь объем растительной биомассы.

Климат зависит от широты расположения местности на земном ша ре, наклона ее поверхности и рельефа, высоты над уровнем моря, близости больших водоемов, времени суток, года и т. п.

Эдафический фактор – это совокупность физико-химиче ских свойств почв: их структура, химический состав. Эти свойства определяют жизнедеятельность организмов в почве.

Химический фактор: состав воздуха, состав воды, кислот ность и состав почвенных растворов. Вода – это важнейший фак тор, это среда, где возникла жизнь. Все живое содержит воду.

Антропогенные факторы обусловлены деятельностью че ловека. Они более разнообразны, чем природные катаклизмы и часто более губительны для биосферы (см. главу 2).

1.3.2. Факторы, воздействующие на природную среду Природная среда – это среда обитания живых организмов.

На совокупность ее физических, химических и биологических жиз ненно важных условий вредное воздействие могут оказывать при родные и антропогенные факторы.

Природные бедствия, нарушающие жизнь в экосистемах, – это лесные и степные пожары, ураганы, наводнения, землетрясе ния, вулканическая деятельность, падение крупных астероидов.

Антропогенные факторы. Рост численности людей, их бы товая и производственная деятельность особенно за последнее сто летие существенно влияют на биогеохимическое равновесие в био сфере, на воспроизводство ее ресурсов. В дальнейшем этим факто рам будет уделено наибольшее внимание.

1.4. Круговорот вещества и энергии в биосфере 1.4.1. Круговорот биогенного вещества и энергии в биосфере Виды круговорота: биохимический, энергетический, вещест венный.

Биогеохимические циклы – это круговые движения хими ческих элементов между организмами и природной средой. Общая схема круговорота биогенного вещества: а) фотосинтез органи ческих веществ;

б) их использование живыми организмами, в) ре дукция (возвращение) органических веществ в неорганические.

В процессе фотосинтеза органических веществ и роста тка ней растений, т.е. жизнедеятельности продуцентов, используются энергия Солнца, вода и минеральные вещества: соединения углеро да, азота, фосфора, кальция, натрия, калия и других элементов.

Часть биомассы продуцентов, вода, кислород, некоторые мине ральные вещества обеспечивают жизнедеятельность консументов 1 порядка – травоядных животных. Последние, вместе с рядом не органических веществ – источник жизни консументов 2 порядка – хищников. После гибели живых организмов их органические веще ства попадают обратно в природную среду. Здесь они претерпева ют различные превращения, перемещения и в итоге с помощью ре дуцентов минерализируются. Биогеохимические циклы носят кру говой, примерно на 99% замкнутый характер. Иными словами они почти не имеют отходов. Один процент – это соединения углерода в земной коре (известняк, нефть, уголь), дополнительный кислород в воздухе.

Потоки энергии в экологических системах. Источником энергии для биосферы является Солнце. Ее количество, поглощае мое поверхностью Земли, уравновешивается энергией теплового излучения, что сохраняет тепловой баланс Земли почти на посто янном уровне.

В пределах биосферы, отдельной экосистемы из энергии солнца С примерно в 13 МДж/м2, падающей в среднем за день в зо не умеренного климата на поверхность Земли и на растения С1, лишь небольшая часть ее поглощается и превращается в продукцию фотосинтеза (рис. 1.1). Этот поглощаемый поток энергии соответ ствует первичной валовой продуктивности Пв, которая представля ет суммарную продукцию фотосинтеза, включая вещество, расхо дуемое на дыхание Д: Пв = Пч + Д. Чистая первичная продуктив ность Пч – это видимый продукт фотосинтеза, вещество, которое можно, например, взвесить при уборке урожая: Пч = Пв – Д.

Продуценты Травоядные Хищники Д Д Д А1 П1 К2 А2 П С1 К Пв Пч C Н Т Н Н Т Биогенное вещество Т Биоредуценты С С1 Пч П1 П 13000 6000 50 4 0, Энергия, кДж Рис. 1.1. Схема преобразования потока энергии в простой пищевой цепи: С и С1 – солнечная энергия, падающая на поверхность Земли и на растения;

Т – энергия, рассеиваемая в виде тепла;

Пв, П1, П2 – энергия, затрачиваемая растениями, травоядными, хищниками;

Д, Д1, Д2 – энергия, рассеиваемая ими при дыхании;

К1 и К2 – энергия корма, потребляемого травоядными животными и хищниками;

А1 и А2 – энергия, усваиваемая травоядными животными и хищниками при потреблении корма;

Н – энергия биомассы, неиспользованной животными Как видно из схемы, большая часть солнечной энергии С, падающей на поверхность Земли и на растения С1, рассеивается в виде тепла Т. Лишь часть ее поглощают растения и аккумулируют частично в виде чистой продукции фотосинтеза Пч, а частично тра тят на дыхание Д, включая потери тепла. В сумме они составляют энергию, затраченную на получение первичной валовой продук ции: Пв = Пч + Д.

Часть чистой продукции продуцентов Пч служит кормом К травоядным животным, обеспечивая их вещественные и энерге тические потребности. Остальная неиспользованная часть Н от мирает и поступает в почву в пищу биоредуцентам. Из корма К1 животные ассимилируют лишь количество вещества А1, из ко торого часть идет на создание биомассы П1 (вторичная продук тивность травоядных), а часть – на дыхание Д1, включая потери тепла.

Хищники не истребляют всех травоядных животных. Из общей биомассы травоядных П1 они используют на корм долю К2, которая частично ими усваивается (А2), частично идет в отходы Н.

Часть усвоенного вещества А2 представляет собой биомассу П2, часть затрачивается на дыхательную энергию Д 2: А2 = П2 + Д 2.

Энергия биогенного вещества расходуется на получение биомассы редуцентов и их дыхание, включая потери на тепло.

Биомасса редуцентов, как и продуцентов и консументов, в конеч ном итоге минерализуется и выделяющееся при этом тепло рассеи вается.

Из приведенной шкалы энергии (рис. 1.1) следует, что из солнечной энергии С1 6000 кДж (для умеренного климата) в энергию пищи превращается лишь около 1%, 50 кДж. Это при близительное значение эффективности фотосинтеза.

Вторичная продукция уровней потребления П1 и П2 состав ляет 5–10% предыдущей, т.е. на последующий уровень передается около 5–10% энергии. Это примерное значение эффективности потока энергии Э в природе по цепям питания. Так, Э2 = (А2 /А1)100%. Оно означает, что биомасса хищников будет меньше биомассы травоядных в 10–20 раз, а растений – в 100– раз. Эта эффективность определяет численность животных в при роде.

Экологические пирамиды. Экологическую эффективность продуктивности уровней потребления в экосистеме выразим в ви де экологических пирамид, т.е. в виде фигур, расположенных од на над другой, размеры которых иллюстрируют численность осо бей, продуктивность и энергетические затраты каждого уровня (рис. 1.2).

Мальчик 1 50 кг кДж Телята 5 600 кг 5000 кДж Люцерна 20 млн. растений 8200 кг 60000 кДж А – численность Б – биомасса В – затраты энергии Рис. 1.2. Экологические пирамиды цепи: люцерна–телята–мальчик 1.4.2. Круговорот углерода, азота, фосфора, кислорода, воды Круговорот углерода. Общие запасы углерода в биосфере составляют около 20 000 000 млрд т. Они более чем на 99% состоят из отложений СаСО3. Лишь около 10 000 млрд т углерода находит ся в виде ископаемого топлива (уголь, нефть, газ). В неживой орга нике углерода: в океане – 3000 млрд т, в почве – 700 млрд т. Со держание углерода в биомассе (млрд т): наземные растения – 450, поверхностные слои моря – 500, фито-, зоопланктон и рыбы – 10– 20. В атмосфере воздуха в виде СО2 – около 1000 млрд т.

Запасов углерода очень много, но лишь диоксид углерода СО2 воздуха представляет источник углерода, который усваивается растениями в количестве около 35 млрд т в год.

В процессе фотосинтеза СО2 превращается в сахара, жиры и другие вещества. Например:

6CO2 + 6H2O + h C6H12O6 + 6O2. (1.1) Возврат углерода в атмосферу происходит в процессе дыха ния животных и растений (около 10 млрд т), разложения организ мов в почве (в виде СО2, углеводородов, меркаптанов;

около млрд т). Сверх биогенного, сбалансированного углерода в атмо сферу поступает антропогенный диоксид углерода после сжигания углеродного топлива (уголь, нефть, газ, сланцы, лес и т.п.;

5 млрд т) и природный его диоксид – при извержении вулканов.

В морях и океанах некоторые организмы, умирая, опускают ся на дно (в частности, скелеты фитопланктона) и образуют карбо натные осадочные породы, а неразложившееся органическое веще ство – ископаемое углеродное топливо. Обмен СО2 воздуха с по верхностными морскими водами составляет: растворение в воде – 100 млрд т, выделение из воды – 97 млрд т.

Быстрый круговорот углерода связан с живыми организма ми: а) потребление СО2 в процессе фотосинтеза органических ве ществ, б) выделение СО2 при дыхании организмов и разложении органики. Его длительность зависит от времени жизни организма.

Так, углерод лесов совершает круговорот примерно за 30 лет – средний срок жизни дерева. Леса являются главным потребителем СО2 на суше и основным хранилищем биологически связанного уг лерода. Они содержат около 2/3 его атмосферного запаса.

Медленный круговорот углерода включает ископаемое топ ливо, что исключает углерод из оборота на длительное время – миллионы лет. Он возвращается в атмосферу в виде СО2 в резуль тате сжигания ископаемого топлива человеком и при извержении вулканов.

Круговорот азота. Океан воздуха, окружающий Землю, со держит 78% азота. Однако большинство организмов неспособны непосредственно усваивать атмосферный азот. Они используют в основном связанный азот: нитраты, аммонийный и амидный азот.

Круговорот азота состоит из следующих процессов: полу чение связанного азота, использование его живыми организмами, преобразование соединений азота в свободный азот.

Варианты получения связанного азота (млн т/год): синтез ок сидов азота в атмосфере грозовыми разрядами – 7,6;

фиксирование атмосферного азота микроорганизмами – 30, бобовыми – 14, сине зелеными водорослями – 10;

синтез азотных удобрений челове ком – 30. Всего около 92 млн т/год связанного азота.

Круговорот связанного азота в биосфере. Азот в форме нит ратов используется растениями для синтеза протеинов, являющих ся составной частью всех клеток растительных и животных орга низмов. Содержание азота в тканях около 3%. Протеины при отми рании служат питанием целой цепи почвенных организмов. Они, разлагая органическое вещество, переводят органический азот в аммиак. Другие бактерии переводят аммиак в нитраты. Последние снова используют растения, и цикл превращений азота в пищевой цепи повторяется.

Окисление азота аммиака до нитритов осуществляется с уча стием бактерий Nitrosomonos (реакция нитрификации):

NH3 + 1,5O2 HNO2 + H2O + 273 кДж/моль. (1.2) Выделяющейся при этом энергии вполне достаточно для существования этих бактерий. Это исключительный случай в живой природе, который позволяет поддерживать существование живых организмов без энергии Солнца. Они не потребляют энергию, запасенную в органических веществах, а используют энергию окисления неорганических веществ. Другие микроорганизмы способствуют окислению нитритов дальше до нитратов с выделением энергии в 71 кДж/моль, что позволяет им выживать, так же как и вышеуказанным бактериям.

Аммиак почвы может усваиваться растениями и без его нит рификации. При этом он включается в аминокислоты и становится частью белка растения, а после поедания растений переходит в жи вотные белки. Белок возвращается в почву, где он распадается на аминокислоты, которые окисляются при участии бактерий до СО2, Н2О, NH3. И цикл повторяется.

Связанный азот в количестве 2-3 млн т/год в виде раствори мых соединений попадает с водой в океан и надолго теряется для биосферы в донных отложениях. Эти потери в основном компенси руются соединениями азота из вулканических газов.

Денитрификация – это процесс освобождения связанного азота посредством его восстановления с участием бактерий денит рификаторов. Например:

C6H12O6 + 8HNO2 6CO2 + 10H2O + 12N2 + 2394 кДж/моль (1.3) Денитрификация идет в анаэробных условиях, т.е. в отсутст вие кислорода как на суше (43 млрд т/год), так и в море (40 млрд т/год) с образованием 83 млрд т азота в год. На суше бактерии ак тивны в почвах, богатых соединениями азота и углерода, особенно в навозе.

Несмотря на потери связанного азота из-за денитрификации (83 млрд т/год), в биосфере идет его накопление в количестве около 92 – 83 = 9 млрд т/год. Причина излишка – производство человеком избыточного количества азотных удобрений. Таким образом, кру говорот азота нарушен на 10%, что становится опасным, так как вода загрязняется нитратами. Человечество ожидают новые ослож нения из-за быстрого увеличения количества азотсодержащих от бросов в связи с резким возрастанием народонаселения и поголовья скота.

Круговорот фосфора. Значение фосфора для биосферы.

Фосфор – составная часть важнейших для организмов органиче ских соединений, например, таких как рибонуклеиновая (РНК) и дизоксирибонуклеиновая (ДНК) кислоты, входящих в состав слож ных белков. Соединения, содержащие фосфор, играют существен ную роль в дыхании и размножении организмов. При достатке фосфора повышается урожай, засухоустойчивость и морозоустой чивость растений, увеличивается в них содержание ценных ве ществ: крахмала в картофеле, сахарозы в свекле и т.п. Недостаток фосфора ограничивает продуктивность растительности в большей степени, чем недостаток любых других веществ, исключая воду.

Усвояемые соединения фосфора. Растения используют фос фор из почвенного раствора в виде соединений фосфорной кисло ты – ионов Н2РО4–, НРО42–. В почве их образуют три группы ус вояемых фосфорных соединений: природные, органические и про мышленные.

В земной коре фосфора довольно много – около 0,1% по мас се. Разведанные запасы фосфатного сырья составляют около млрд т. Известно примерно 120 фосфорсодержащих минералов:

апатит, фосфориты, фосфаты алюминия, железа, магния и др. Од нако все они трудно растворимы в воде и, следовательно, малоэф фективны. Для растений фосфорные соединения доступны только после их дефосфорилирования – ферментативного расщепления организмами почвы. Доля такого фосфора в питании растений со ставляет 20–60%. Промышленность выпускает фосфорные удобре ния, которые хорошо усваиваются растениями. Это двойной су перфосфат Са(Н2РО4)2Н2О, фосфат аммония, нитрофоска и др.

Круговорот фосфора: а) усвоение растениями (продуцента ми);

б) потребление животными (консументами), редуцентами;

в) дефосфорилирование. В природном круговороте фосфора имеется существенный его дефицит, около 2 млн т в год. Это потери его растворимых соединений, включенных в природный круговорот воды. Достигая с водой океана, они теряются на его дне в отложе ниях. В круговорот из океана возвращается лишь около 60 тыс. т фосфора в год в виде прибрежного гуано (помет и останки птиц, питающихся рыбой) и рыбной муки из выловленной рыбы. Счита ется, что круговорот фосфора – единственный в природе пример простого незамкнутого цикла. Человек, производя фосфорные во дорастворимые удобрения, ускоряет убыль природных фосфатов, расходуя около 3 млн т в год апатита и фосфоритов. При таком рас ходе их хватит примерно на 10 тыс. лет.

Круговорот кислорода. Запасы кислорода в биосфере очень большие, примерно 50% ее массы. В ней он самый распространен ный элемент. Основное количество связанного кислорода прихо дится на гидросферу и литосферу. В песке его около 53%, глине – 56%, воде – 89%. Свободный кислород содержится в атмосфере в количестве 1 200 000 млрд т, что составляет лишь 0,01% его обще го количества. Большая часть атмосферного кислорода – продукт фотосинтеза растений.

Схема круговорота кислорода: а) генерация растениями в процессе фотосинтеза (около 16 млрд т/год);

б) потребление живы ми организмами при дыхании;

в) расход на окисление биогенного вещества.

Для высших форм жизни (растения, животные) пригодно аэробное дыхание – прямое окисление кислородом органики, на пример, глюкозы:

C6H12O6 + 6O2 6CO2 + 6H2O + 2880 кДж/моль. (1.4) Большое количество энергии, которая выделяется при дыха нии и окислении веществ в организме с участием кислорода, идет на поддержание жизнедеятельности высших организмов, которая требует значительных энергетических затрат, например, при пере мещениях. Для низших организмов большое выделение тепла опас но. Они приспособились проводить окисление органики в анаэроб ных условиях (без О2) с помощью ферментов (см. выше).

Скорость круговорота кислорода в биосфере в нашу эпоху составляет около 2500 лет.

Небольшая часть кислорода постепенно уходит в осадочные породы: карбонаты, сульфаты. Однако эти процессы идут весьма медленно и в целом не влияют на главный круговорот атмосферно го кислорода. Опасность представляет антропогенный фактор. Так, за последние 100 лет человеком при сжигании топлива изъято из атмосферы около 250 млрд т кислорода и добавлено около млрд т СО2. Ежегодный прирост расхода кислорода человеком око ло 5%.

Круговорот воды. Воды на Земле много – 1,5 млрд км3, но пресных вод меньше 3%. Основная масса пресной воды – 29 млн км3 (75%) – находится в ледниках Арктики и Антарктиды, около млн км3 – в атмосфере, 1 млн км3 – в живых организмах. Лишь все го 0,003% воды, т.е. около 0,04 млн км3, представляют объем еже годно возобновляемых водных ресурсов.

Большой круговорот воды (40–45 тыс. км3): а) испарение воды в океанах и на суше под действием Солнца;

б) перенос паров воды с воздушными массами;

в) выпадение воды из атмосферы в виде дождя и снега;

г) поглощение воды растениями и почвой, д) сток воды по поверхности суши и возвращение в моря и океаны.

Этот круговорот воды хорошо замкнут. Он вместе с энергией Солнца является важнейшим фактором обеспечения жизни на Зем ле, так как при этом происходит перенос и перераспределение не только воды – основы жизни, но и тепла, поглощающегося при ис парении воды и выделяющегося при ее конденсации.

Круговорот воды в экосистемах. Здесь различают 4 фазы:

1) перехват, т.е. поглощение воды листьями, кроной, до того как она достигнет почвы;

2) эвапотранспирация: (лат. evaporatio – ис парение, transpirere – испарение растениями) – отдача воды экоси стемой в атмосферу за счет ее биологического испарения расте ниями и испарения с поверхности почвы;

3) инфильтрация – про сачивание воды в почву, затем перенос грунтовых вод и испарение;

4) сток – потеря воды экосистемой за счет ее стока в ручьи, реки и затем в моря, океаны.

Величина эвапотранспирации – это сумма биологической тран-спирации воды растениями и испарения ее с поверхности поч вы. В Европе она оценивается как 3–7 тыс. т/га в год, из них около 1 тыс. т/га за год воды испаряется с поверхности почвы.

Велика биологическая транспирации воды растениями, что необходимо для извлечения питательных веществ и поддержания температурного режима тканей. Так, за день одна береза испаряет 75 л воды, бук – 100 л, липа – 200 л, 1 га леса – 50000 л.

Коэффициент транспирации – количество воды, транспири руемое растением в сезон для создания 1 кг сухого вещества. Он весьма велик и составляет от 300 до 1000 в зависимости от вида растения. Например, для получения 1 т зерна требуется от 250 до 550 т воды.

Пример схемы круговорота воды. Рассмотрим типичное распределение осадков, количество которых составило 770 мм/год.

Эвапотранспирация воды идет в объеме 400 мм/год и слага ется из следующих видов (мм/год): перехват кронами – 10, транс пирация растениями – 290, испарение с поверхности почвы – 100.

Поверхностный сток воды, равный испарению воды с по верхности моря, составляет 370 мм/год. Его слагаемые (мм/год):

подземный сток – 80, физическое испарение – 265, нужды челове ка – 25.

Как видно из примера, растениями транспирируется почти 40% воды [ (290 / 770)100%]. Однако на формирование биомассы используется лишь около 1% воды [ (10 / 770)100%].

На бытовые нужды человеком расходуется порядка 3% воды.

В отличие от углерода, азота и фосфора вода проходит через экосистемы почти без потерь.

1.5. Эволюция и равновесие экосистем 1.5.1. Экологическая сукцессия В развитии экосистем различают два вида подвижности: об ратимые изменения экосистемы и экологическая сукцессия.

Экологическая сукцессия (лат. sukcedo – следовать) – это последовательная смена во времени биоценозов, т. е. природных сообществ определенного участка земной поверхности.

Рассмотрим ее признаки:

1. Сукцессия – это упорядоченный процесс последовательной смены природных сообществ, связанный с изменением их видовой структуры и протекающих в сообществе процессов.

2. Она происходит в результате изменения физической среды, во-первых, под действием самого же развивающегося сообщества.

Во-вторых, сукцессия протекает под влиянием изменения внешних факторов: влажности, температуры, количества осадков, состава почвы, солнечной радиации.

3. Кульминацией развития сукцессии является климакс – стабилизированная экосистема, эффективность преобразования энергии Солнца в биомассу максимальна и когда максимально воз можное количество видов и популяций флоры и фауны, а также связей между ними: пищевых (трофических), территориальных (то пических) и др.

Виды сукцессии. Первичная сукцессия начинается на участ ке, который перед этим не был занят каким-либо сообществом, на пример, на голой скале, песке, застывшей лаве. Вторичная сукцес сия происходит на площади, с которой удалено предыдущее сооб щество, например, на заброшенном поле, вырубке леса (табл. 1.1).

Она протекает быстрее, чем первичная, так как на этой территории уже имеются некоторые организмы или их зачатки.

Таблица 1. Пример вторичной сукцессии на заброшенной пашне Возраст, 0 1-2 3-15 15-40 40-100 Более годы Тип об- Голое Злаки, Береза, Сосновый Долгожители:

Трава щества поле кусты осина лес дуб, бук и др.

Другой пример – сукцессия в степном районе на заброшен ной проселочной дороге: однолетние сорняки – 2–5 лет;

коротко живущие злаки – 3–10 лет;

многолетние злаки – 10–20 лет;

зрелые злаки – 20–40 лет. Таким образом, природе требуется 20–40 лет, чтобы на голом грунте создать зрелое степное сообщество.

1.5.2. Сукцессия в водной среде Наглядно о сукцессии в водной среде можно судить по пере менам в искусственно создаваемых водоемах: прудах, водохрани лищах, озерах. Здесь можно выделить три стадии.

Первая стадия – высокопродуктивная стадия «цветения», связанная с большим количеством органического вещества в почве и растительности, которые уходят под воду при заполнении водо ема. Для этой стадии характерно обилие питательных веществ, ин тенсивное их разложение, высокая активность микроорганизмов, низкое содержание кислорода в придонном слое воды, часто быст рый рост рыбы.

Вторая стадия – зрелая стадия развития экосистемы, когда наступает ее стабилизация при некоторой пониженной продуктив ности после расхода избытка исходного питания. «Цветение» от сутствует, содержание кислорода в придонном слое повышается.

Рыбы мало.

Третья стадия – это стадия переходных состояний. Она на ступает тогда, когда в результате эрозии удобренной почвы или из скотных дворов в водоем поступает большое количество питатель ных веществ, и повторяются первая и вторая стадии. Такие смены состояния водной среды могут повторяться до тех пор, пока водоем не окажется занесенным почвой.

1.5.3. Значение экологической сукцессии Закономерности экологической сукцессии весьма важны для человечества. Они позволяют грамотно решать задачи рациональ ного природопользования. В таблице 1.2 приведен пример зависи мости продуктивности изученной экосистемы сосново-дубового леса от его возраста.

На ранних стадиях экологической сукцессии уровень пер вичной валовой продукции Пв превосходит уровень дыхания сооб щества Д (см. табл. 1.2). В таких системах образуется чистая про дукция: Пч = Пв – Д. В зрелых экосистемах фиксированная энергия в основном расходуется на дыхание растений и организмов.

Таблица 1. Изменение составляющих продуктивности лесной экосистемы в процессе ее сукцессии Продуктивность экосистемы, г/м2 в день.

Параметр Отношение Пч/Пв Возраст, годы 10 20 30 40 50 60 70 80 Пв 900 2200 3150 3800 3700 3300 2900 2550 Д 460 1120 1600 2180 2400 2400 2300 2170 Пч 440 1080 1550 1620 1300 900 600 380 Б 140 420 800 1200 1600 2000 2400 2600 Пч /Пв 0,49 0,49 0,49 0,43 0,35 0,27 0,21 0,15 0, Б – создаваемая биомасса.

Уровень дыхания Д приближается к валовой продукции Пв.

Объем чистой продукции снижается до нуля. Отношение Д / Пв сви детельствует о степени приближения экосистемы к состоянию зрелости, а отношение Пч /Пв = (1 – Д / Пв) – о выходе полезной про дукции.

Зрелое сообщество способно стабилизировать в своем ок ружении факторы среды, обеспечить буферы на внешние отклоне ния от условий существования, особенно на неблагогоприятные воздействия бурь, наводнений, похолоданий, эрозии почвы и т.п.

Эти функции зрелое общество выполняет лучше, чем молодое. Од нако в зрелом сообществе чистая продукция резко сокращается (табл. 1.2). Следовательно, такую экосистему невыгодно использо вать с целью получения продукции: продуктов питания, выпаса скота, заготовки древесины и т.п. Если же из зрелых экосистем, на пример лесных, отбирать продукции больше, чем она способна производить, то они будут сведены на нет: продуктивность сильно упадет, почва подвергнется эрозии и т.п. История человечества бо гата негативными примерами уничтожения лесов и нарушения пло дородия земель. Так, ныне пустынные пространства Ближнего Востока раньше имели плодородные и лесистые участки. Греция славилась зелеными горами, а ныне эти горы – в основном с каме нистыми, весьма бедными почвами. Пустыня Сахара в период одо машнивания диких животных была плодородной областью.

Таким образом, для хозяйственных целей, получения про дуктов питания человек должен использовать ранние стадии сук цессии, т.е. молодые сообщества, у которых выход чистой продук ции максимален. При этом одной из стратегий деятельности чело века должна быть стратегия компромисса между молодыми и зре лыми экосистемами. Так, рациональное лесопользование должно предусматривать не сплошные рубки деревьев на тысячах гектарах, что часто практикуют, а выборочную рубку деревьев в возрасте хо зяйственной спелости.

Стратегия расчленения предусматривает такой порядок хо зяйствования, при котором можно было бы на разных участках уго дий поддерживать, например, интенсивное производство зерна и нетронутую природу, которая стабилизирует в своем окружении экосистемы и в итоге дает возможность человеку стабильно полу чать продукцию. Некоторые ученые полагают, что крайне риско ванно выводить из естественного равновесия более 2/3 территории, занятой природной растительностью.

1.5.4. Гомеостаз экологических систем Гомеостаз (греч. homoios – подобный, одинаковый;

stasis – стояние) – способность биологических систем противостоять изме нениям условий жизни и сохранять состояние равновесия.

Экологическое равновесие – это состояние экосистемы, при котором состав и продуктивность биоценоза в любые конкретные моменты времени наиболее полно соответствуют абиотическим (неживым) условиям – почве, климату, наличию влаги.

Обратимые изменения в экосистеме – это изменения экоси стемы в течение года, от весны и до весны, при колебаниях климата в разные годы и изменения роли некоторых видов в связи с ритма ми их жизненного цикла. При таких изменениях видовой состав экосистемы сохраняется, она лишь подстраивается к колебаниям внешних и внутренних факторов. В отдельные сезоны года некото рые компоненты экосистемы могут отсутствовать или впадать в со стояние глубокого покоя: отлет птиц на зиму, захоронение семян в засушливый год, зимняя спячка насекомых и некоторых животных.

Экосистемы, как и организмы, способны к саморегулирова нию и самоподдержанию. Например, численность любой популя ции регулируется в таких пределах, чтобы избежать перенаселения экосистемы. Как и в технических системах, в экосистемах осущест вляется два вида обратной связи. Положительная обратная связь – это связь, усиливающая отклонение, необходимое для выживания и роста организмов. Отрицательная обратная связь – это связь, ос лабляющая действие благоприятных факторов и позволяющая из бежать, например, стремительного разрастания популяции того или иного вида организмов.

В больших, зрелых экосистемах поддерживается самокор ректирующийся гомеостаз в результате взаимодействия кругово рота веществ и потока энергии (см. п. 1.4). В связи с этим экоси стемы Земли и сама биосфера находятся в устойчивом состоянии.

Однако устойчивость экосистем и действие механизмов саморегу ляции имеют предел, по достижении которого усиливающиеся об ратные связи приводят к гибели системы. Примеры опустынивания территорий приведены выше. Другой пример – глобальное вмеша тельство человека в земной круговорот энергии и веществ посред ством сжигания все в больших количествах ископаемого топлива.

К какой это приведет экологической катастрофе пока трудно пред сказать.

Контрольные вопросы 1. Что такое охрана биосферы? Предмет курса «Охрана биосферы».

2. Что такое природа, биосфера, природная среда? Каковы составные части биосферы?

3. Что обозначают термины: биомасса, живое и биогенное вещество?

4. Что такое биоценоз, биотоп, фито-, зоо- и микробиоценозы?

5. Как В.И. Вернадский характеризует ноосферу?

6. Что такое экология? Этапы развития экологии, ее разделы.

7. Что изучает автоэкология, популяционная экология и синэкология?

8. Что такое экосистема, биогеоценоз? Каковы их разновидности?

9. Каковы основные элементы экосистем, виды живых организмов?

10. Каковы стадии эволюции Земли и биосферы? Когда и как возникла жизнь на Земле?

11. Как и какие факторы воздействуют на живые организмы? Их группы, виды, названия.

12. Что такое биотические факторы? Каковы виды взаимоотношений жи вых организмов?

13. В чем различие между автотрофными и гетеротрофными организма ми?

14. Каковы виды абиотических факторов? В чем их значение для био сферы?

15. Как и какие факторы воздействуют на среду обитания живых орга низмов?

16. Каковы стадии, циклы биогенного вещества? В чем сущность стадий его круговорота?

17. Каковы виды продуктивности биосферы?

18. Каковы схема и эффективность преобразования энергии в биовеще ство?

19. Что отображают экологические пирамиды? Их виды.

20. Каковы жизненно активные формы углерода и как они участвуют в биохимических циклах?

21. Каковы виды круговоротов углерода? Причины дебаланса круговоро тов углерода.

22. Из каких процессов слагается круговорот азота? Каковы объемы по лучения связанного азота?

23. Что такое нитрификация и денитрификация? Причины загрязнения биосферы нитратами.

24. Какова схема круговорота фосфора? Каковы его усвояемые формы и причина их потерь? Что такое дефосфорилирование?

25. Какова схема круговорота кислорода? Что такое аэробное и анаэроб ные дыхание? Как человек влияет на круговорот кислорода?

26. В чем сущность круговорота воды: большого и в экосистемах? Их значение для биосферы.

27. Что такое перехват, эвапотранспирация, инфильтрация?

28. Что такое экологическая сукцессия и каковы ее признаки, виды, стадии?

29. В чем значение для человечества знания закономерностей экологи ческой сукцессии?

30. В чем сущность гомеостаза и экологического равновесия? Каковы механизмы саморегуляции экосистем?

2. РЕСУРСЫ БИОСФЕРЫ И ВОЗДЕЙСТВИЕ НА НИХ ЧЕЛОВЕКА 2.1. Этапы воздействия человека на биосферу Различают пять этапов воздействия человека на биосферу.

1-й этап – до 30 тыс. лет назад, когда воздействие древней шего человека на биосферу было ничтожным. Все, что человеку было необходимо для удовлетворения потребностей в еде, одежде и жилище, он добывал собирательством, использовал готовые про дукты и объекты природы. На природу он воздействовал так же, как и другие дикие животные.

2-й этап – около 30–10 тыс. лет назад. Это начало активной деятельности человека, которая была связана не только с собира тельством, но и с охотой. Охота заметных изменений в экосистемы не вносила, урона биосфере не было. Лишь в отдельных, редких местах временного скопления людей в конце этого этапа, возможно наблюдалось временное истощение охотничьих угодий, что могло приводить к частичной гибели людей и их расселению по другим территориям.

3-й этап – около 10–5 тыс. лет назад. Он связан с началом скотоводства, с развитием которого начинается заметное воздей ствие человека на растительность, обусловленное неумеренной па стьбой скота на землях с засушливым климатом. Отмечается ус тойчивое изменение человеком некоторых экосистем. Так, имеются свидетельства, что до периода одомашнивания диких животных пустыня Сахара была плодородной областью. Вероятно, домашние животные превратили в пески территорию Саудовской Аравии, Средней Азии.

4-й этап – примерно 5–7 тыс. лет назад, когда человек стал за ниматься земледелием. Во времена древнейших цивилизаций, а затем позднее, в древние века и последние столетия, развитие земледелия усугубило преобразование экосистем в связи с распашкой земель, выжиганием и вырубкой леса. Это привело к дальнейшему опусты ниванию земель. В целом земледельческая деятельность человека, а в последние века человеческой цивилизации и развитие промыш ленности заметно обострили экологическую ситуацию на Земле.

5-й этап – ХХ век. Начало глобального, быстро нарастающе го изменения экологических компонентов биосферы. Это связано с быстрым ростом численности людей (рис. 2.1) и ростом масштабов их бытовой, сельскохозяйственной и промышленной деятельности.

Численность населения 10 тыс. лет до новой эры составляла около 10 млн чел. (численность современной Москвы);

в начале новой эры (2 тыс. лет назад) – 230 млн, в 1000 г. (1000 лет назад) – 275 млн, в 1500 г. (500 лет назад) – 450 млн, в 1830 г. (170 лет на зад) – 1 млрд, в 1900 г. (100 лет назад) – 1,6 млрд В ХХ в. числен ность людей N росла по экспоненте: 1930 г. (70 лет назад) – 2 млрд, 1959 г. (41 год назад) – 3 млрд, 1975 г. (25 лет назад) – 4 млрд, 1987 г. (13 лет назад) – 5 млрд, 1999 г. – 6 млрд чел. Так, с 1950 г.

она растет согласно уравнению:

N 10[9,4 + 0,0077(t – 1950)]. (2.1) N, млрд чел. – 5 – 4 – 3 – 2 – 1 – 0 600 1200 1800 1900 1950 t, годы Рис. 2.1. Рост численности населения Земли в новую эру Современные вредные воздействия на биосферу в результате деятельности человека разнообразны. Их делят на две группы: ис тощение природных ресурсов, когда потребление этих ресурсов выше способности природной среды к их воспроизводству;

загряз нение природной среды, что наносит урон живым организмам и среде их обитания.

2.2. Ресурсы биосферы 2.2.1. Виды ресурсов биосферы Ресурсы биосферы – это любые природные и техногеннные источники и предпосылки, необходимые для жизнедеятельности живых организмов, включая человека. Природные ресурсы: мине ральное сырье, вода надземная и подземная, земли, леса, растения, рыбы и т.д.

Классификация ресурсов. Они подразделяются: по свойст вам – на биологические, минеральные и энергетические ресурсы;

по производственным характеристикам – на водные и гидро энергетические ресурсы;

земельный и лесной фонды;

обитателей вод, лесов, степей (фауна);

полезные ископаемые;

по происхожде нию вещества – на ресурсы живого, биогенного и биокосного ве щества (вода, почва, недра). По скорости и объему использования различают исчерпаемые и неисчерпаемые ресурсы, по возможности замены – заменимые, незаменимые.

Исчерпаемые ресурсы. Они используются быстрее, чем воспроизводятся. Их делят так: а) невозобновляемые ресурсы: газ, уголь, нефть;

исчезающие виды животных и растений;

б) относи тельно невозобновляемые ресурсы: почвы, деревья больших воз растов и т.п.;

в) возобновляемые ресурсы. Это животные, растения, которые природа или человек способны воспроизводить в исход ном или нужном количестве (домашний скот, зерно, лес).

Неисчерпаемые ресурсы воздух, воды океанов, энергия Солнца.

Незаменимые ресурсы – это ресурсы, которые заменить нельзя: воздух, питьевая вода, виды и популяции живых организ мов.

Заменимые ресурсы – их можно заменить другими видами.

Например, вместо энергии минеральных топлив можно использо вать атомную и солнечную энергию.

2.2.2. Ресурсы атмосферы Атмосфера – это газообразная оболочка Земли, которая де лится на тропосферу (до 20 км), стратосферу (20–40 км), мезосферу (40–80 км), ионосферу (80–500 км). Оценочное значение массы ат мосферы – 5 200 000 млрд т. В ней масса азота составляет 4 050 млрд т, кислорода – 1 100 000, аргона – 48 000, диоксида углерода – около 1300 млрд т. Пары воды и пыль занимают в воздухе допол нительно до 3-4% по объему. Масса паров воды – около 13 млрд т.

Атмосфера оказывает регулирующее влияние на темпера турный режим Земли. Она защищает биосферу от коротковолново го излучения, является средой распространения света и звука, спо собствует горению. За 200 лет измерений физических параметров атмосферы они колебались в следующих пределах: максимальная температура воздуха – до + 58 °С (Триполь, 1922), минимальная – до – 88,3 °С (Антарктида, станция «Восток», август 1960 г.), макси мальное давление – до 100 кПа (Туруханск, декабрь 1968 г.), мини мальное – до 85 кПа (тайфун Ненси, сентябрь 1961 г.), максимум осадков – за год 24326 мм (Индия, Чарапунджи, 1947 г.), скорость ветра – до 110 м/сек или 400 км/час (Флорида, 1935 г.).

Жизнь простирается в тропосфере до 6–8 км. Состав чистого, сухого воздуха в этом слое (по объему): азота – 78%, кислорода – 21;

аргона – 0,93;

диоксида углерода – от 0,02 до 0,04;

других газов (во дород, озон, гелий, аммиак и т. п.) – около 0,02%. Без воздуха про цесс дыхания в биосфере невозможен. Человек без воздуха погиба ет через 3–5 мин. В сутки он потребляет около 500 л кислорода (до 10 тыс. л воздуха). До 1950 г. населением затрачено на дыхание око ло 270 млрд т кислорода, за 50 последних лет – около 250 млрд т.

2.2.3. Ресурсы гидросферы Значение воды. Вода – уникальное вещество. Во-первых, она уникальна по своим свойствам, обусловленным водородными связями. Если бы не эти связи, то вода замерзала бы при –100 оC, а кипела при 80 оC. Благодаря им она имеет необычно высокую теп лоемкость, температуру парообразования, теплопроводность, ди электрическую проницаемость. В воде растворимы многие жизнен но нужные вещества. Аномальна ее плотность, которая максималь на при 4 оC. Лед легче жидкой воды, поэтому в морозы в реках и водоемах он не опускается на дно, а образует верхний защитный слой, предохраняющий воду от полного замерзания. Это очень важно для живых организмов гидросферы.

Во-вторых, благодаря круговороту воды: океан–атмосфера– суша, обеспечивается не только водообмен, но и перераспределе ние тепловой энергии. Вода то испаряется, на что тратится тепло, то конденсируется, и тепло выделяется. Это способствует стабили зации климата.

В-третьих, и это самое главное, вода – это жизнь, основной компонент живого. Без воды жизнь невозможна. Большинство жи вотных без воды и пищи, содержащей воду, умирают через 5– суток.

Классификация вод. Природные воды делят на три вида.

Атмосферные воды – это осадки в виде дождя и снега. Они весьма чистые (кроме городов) и содержат лишь растворенные газы. По верхностные – воды рек, озер, морей, ледников. Они имеют широ кий диапазон примесей – от весьма чистых (ледниковые) до соле ных (морские). Подземные – воды, находящиеся в колодцах, пеще рах, скважинах;

их состав может быть разным, но прозрачность вы сокая.

По содержанию солей различают пресные воды с суммарным количеством солей меньше 1 г/л (0,1%), солоноватые – 1–10 г/л, соленые – 10–50 г/л, рассолы – больше 50 г/л. Воду также различа ют по ее жесткости. Классификация воды по видам потребителей:

хозяйственно-питьевая – для нужд населения, рыбхозов;

промыш ленная: технологическая и энергетическая (охлаждение);

для нужд сельского хозяйства – на животноводство, растениеводство.

Распределение воды в биосфере. В океанах, морях и соле ных озерах имеется около 1,4 млрд км3 соленой воды (97%). На суше свободной пресной воды находится до 40 млн км3 (3%). Эта вода распределяется следующим образом (млн км3): полярные и горные льды и ледники – 29;

пресные подземные воды – 10;

в озе рах – 0,12;

болотах и руслах рек мира – 0,12;

почве – 0,1;

атмосфере в виде пара – 0,013;

живых организмах – 0,003.

Для жизни человека, флоры и фауны важно состояние пре сных речных и озерных вод. Ежегодно возобновляемый объем пре сной воды, равный годовому стоку рек мира, составляет около 0, млн км3, т. е. около 40 тыс. км3. Это 0,003% общих запасов воды и около 0,1% пресной воды.

Ресурсы пресной воды распределены весьма неравномерно.

Баланс воды изменяется не только от места к месту, но и с течени ем времени. Так, в IV тысячелетии до н.э. территория современной пустыни Сахары представляла собой саванну с полноводными ре ками Ахаггар, Тассилин-Адджер и другими, с разветвленной вод ной сетью. Дефицит пресной воды наблюдается во многих районах Земли. Недостаток ее уже испытывает 1/3 населения планеты. А потребности в ней удваиваются через каждые 20–30 лет. В России, особенно в Сибири (80% ресурсов воды), обеспеченность водой на высоком уровне.

2.1.4. Ресурсы суши Суша – это поверхность Земли, не покрытая водой.

Биолитосфера – верхний слой литосферы толщиной 2–3 км, где есть жизнь.

Ресурсы биолитосферы представляют три группы объектов:

неживая природа – почвы, льды, снега, пески, глины, камни, ска лы, руды;

живая природа – леса, луга, нивы, человек, фауна, фло ра, микроорганизмы;

антропогенные объекты – поселения, доро ги, бытовые, промышленные и сельскохозяйственные предприятия и зоны, места разработки месторождений.

На Земле из общей площади суши в 13,8 млрд га леса зани мают 3,9 млрд га (28%), луга – порядка 2,3 (17%);

пашни – 1, (10%);

ледники и мало пригодные земли – 6,2 млрд га (45%).

В России из 1,71 млрд га территории леса и кустарники со ставляют 0,78 млрд га (45,5%);

сельскохозяйственные угодья, паст бища и болота – 0,66 (38,5%);

земли населенных пунктов, предпри ятий, транспорта и связи – 0,013 (0,8%);

земли запаса и охраняемые земли – 0,18 млрд га (10,5%).

Полезные ископаемые. Это природные минеральные веще ства, которые могут использоваться человеком для хозяйственных нужд. Их классификация рудные ископаемые – бокситы, хромиты, железная, медная, никелевая и другие руды;

строительные мате риалы и нерудные ископаемые – песок, глины, щебень, известняк, гранит, мрамор, горный хрусталь, яшма, корунд, алмазы и т.д.;

гор но-химическое сырье – апатиты, фосфориты, поваренная соль, сера, барит и т.п.;

топливные ископаемые – нефть, уголь, сланцы, торф, руды урана;

гидроминеральные ресурсы – подземные пресные и минерализированные воды, ресурсы морской воды.

Запасы невозобновляемого ископаемого топлива, доступно го для добычи, по приближенным подсчетам, составляют 7000– 12500 млрд т условного топлива. Из них (млрд т): каменного угля – 5000–11000;

жидких углеводородов – 800–1200;

природного газа – 600–800.

Ресурсы фитоценозов. На Земле из общей площади суши в 13,8 млрд га фитоценозы занимают около 7,6 млрд га (55%), из них пашня площадью в 1,4 млрд га (10% суши), обеспечивает 95–97% продовольственных ресурсов для населения планеты.

В России из 1,71 млрд га суши оленьи пастбища занимают 0,33 млрд га (19%);

сельскохозяйственные угодья – 0,22 млрд га (13%), из них пашня – 0,13 млрд га (8%).

Почвы. Почва – поверхностный плодородный слой земной коры, дающий жизнь растениям. Как составная часть биосферы, почва – особое природное образование, обладающее рядом свойств, присущих живой и неживой природе, сформировавшееся в резуль тате длительного преобразования поверхностных слоев литосферы под совместном взаимообусловленном воздействии гидросферы, атмосферы, живых и мертвых организмов.

Плодородие – способность почвы удовлетворять потребно сти растений в питательных веществах и воде. При правильном ис пользовании почвы повышаются качество и количество урожая.

Возможности почв давать урожай определяют масштабы развития биосферы и человечества.

Образование почвы. Почва представляет собой природное тело, которое медленно (сотни и тысячи лет) образуется с участием солнечного излучения из поверхностных слоев различных пород при многообразных, совместных физико-химических и биохимиче ских взаимодействиях минеральных веществ, воды, воздуха и раз личных организмов. Она – многовековой продукт жизнедеятельно сти живых, прежде всего продуцентов (растений), образующих по средством фотосинтеза органические вещества, и почвенных, пере рабатывающих эти вещества, организмов. Сложный, циклический процесс образования почвы определяют следующие основные фак торы: климат (интенсивность и продолжительность освещения ме стности Солнцем, количество и равномерность осадков, темпера турный режим и т.п.), состав горных пород и рельеф местности (равнина, холмы, горы, ориентация склонов), тип растительности (лес, кустарники, трава) и объемы ее изъятия из экосистемы. Если восстановительная способность плодородия почв (не почв, а только их плодородия!), где есть условия для образования лугового черно зема, составляет 5–10 лет, то, например, в тундре для восстановле ния продуктивности нарушенного слоя почвы необходимы десятки и сотни лет.

В составе почв различают твердую, жидкую и газообразную фазы. Твердая часть почв на 80–90% состоит из минеральных ком понентов: оксидов кремния (песок), алюминия (глина), железа, на трия, калия, магния, кальция, а также их карбонатов, сульфатов, хлоридов, соединений фосфора и др. По содержанию минеральных компонентов почвы разделяются на песчаные, супесчаные, суглин ки, глины.

Органическое вещество состоит из гумуса (лат. почва), т.е.

перегноя (от 0,1 до 20%), который содержит лигнин, дубильные вещества, углеводы, белки, органические кислоты, жиры и другие органические соединения.

Важная составная часть почв – почвенные живые организмы:

биофаги (грызуны, насекомые, черви, бактерии и др.), которые пи таются живыми организмами и их тканями;

сапрофаги (черви, гри бы, бактерии), питающиеся мертвыми организмами и их тканями;

микроорганизмы, разлагающие сложные органические вещества до минеральных веществ.

Пористость твердой фазы почвы обычно составляет 40–60%.

У торфяников она достигает 90%, у суглинков снижается до 30%.

Поры почвы заполняет раствор и воздух, содержащий до 8% СО2.

Соотношение между содержанием раствора и воздуха в порах сильно зависит от влажности почвы.

Классификация почв. Общепринятой классификации почв нет. Самыми плодородными почвами, содержащими высокий про цент гумуса, органических веществ и почвенных организмов в тол стом поверхностном слое (до 50–80 см), являются луговые черно земы, затем идут каштановые, серые лесные и бурые пустынно степные почвы (30–40 см). Слои торфа толщиной до 20–30 см обра зуются на болотах. Тонкий (до 5–10 см), не очень богатый гумусом плодородный слой имеют красноземы (тропическая зона), желто земы, подзолистые, тундровые почвы. Бедные почвы: сероземы, солончаки, пустынные почвы. В России черноземы составляют почти 2/3 обрабатываемых земель, на них получают около 80% вы ращиваемой на земле продукции.

2.2.5. Ресурсы живой природы Ресурсы биомассы. В океане имеется 3,9 млрд т общей жи вой биомассы. Из них криля – от 1 до 3, добываемой рыбы – 0, млрд т. Общая биомасса суши (сухой вес), в основном растений, составляет около 2000 млрд т. На биомассу гетеротрофных живот ных приходится лишь около 20 млрд т, из них людей – 0,2 млрд т, т.е. 0,01%.

Ресурсы растительности. Значение растительности. Ре шающее значение при образовании биосферы имело появление на Земле автотрофных растений. Фотосинтез – это не только процесс обеспечения жизни, но и процесс, преобразующий весь облик Зем ли. Растительность выполняет в планетарном масштабе средообра зующие функции для животного мира. Это – первоисточник жизни, регулятор кислорода и биомассы.

Ресурсы растительных продуктов. На долю растений, включая леса, приходится до 99% создаваемой биомассы. Они – основа питания всего живого на Земле, в частности людей. Объем производства продуктов питания и некоторых технических куль тур, по данным конца 70-х гг. XX в., значителен. Так, общее ко личество зерновых ежегодно составляло 1600 млн т, картофеля – 230, сахара – 100, масел – 50 млн т. Большинство сельскохозяйст венной продукции (более 80%) приходится на обрабатываемые земли. Возможности дальнейшего большого и устойчивого прирос та всех этих продуктов ограничены, во-первых, из-за сокращения площади пашни и уменьшения их плодородия. Во-вторых, не оп равдываются большие надежды, которые возлагались на химиза цию сельского хозяйства, на применение минеральных удобрений.

Лесные ресурсы. Значение леса. Лес – великое достояние природы. На Земле леса занимают 3,9 млрд га – 28% площади су ши. Обладая самой большой биомассой (60–70%), огромной по верхностью и интенсивностью биологического круговорота, лес определяет энерго- и массообмен в биосфере, ее существование, формирование природной обстановки, преобразование климатиче ских, гидрологических, геохимических и других факторов. Особое значение леса связано с его способностью возрождаться, что спо собствует восстановлению и стабилизации экологического равно весия в природе и может быть использовано в охране и улучшении природной среды. От состояния леса зависит воспроизводство биомассы на Земле.

Велики климатозащитные, водоохранные и другие защитные функции леса. В лесных фитоценозах уменьшаются перепады тем пературы, особенно при положительных температурах. Леса и лес ные насаждения улучшают климат прилегающих полей, уменьша ют испарение влаги и способствуют повышению урожаев сельско хозяйственных культур.

Лес влияет на распределение атмосферных осадков. Он – надежный собиратель, хранитель и распределитель влаги. Ему принадлежит огромная роль в поддержании гидрологического режима рек. В лесах почти нет поверхностного стока. Он состав ляет не более 5–15% вылившихся осадков, а по открытому лугу потоки уносят 50–65% выпавших осадков. От 20 до 35% летних и весенних осадков, испаряясь с листьев, возвращаются обратно в атмосферу. Весной в лесу снег тает позднее и медленнее, что пре дотвращает смыв весенними водами почвенного слоя и перепол нение водой рек и заливных лугов в половодье. Летом лесные на саждения не только защищают окружающие поля от суховеев, но постепенно отдают им накопленную зимой и весной влагу через грунтовые воды и внутрипочвенный сток, поддерживают полно водность рек.

Под пологом леса обитают многие представители раститель ного и животного мира, в сотни раз меньше развита эрозия и прак тически исключена дефляция почвы. Лес, являясь легкими Земли, определяет круговорот кислорода и диоксида углерода в биосфере, их содержание в атмосфере. Так, 1 га леса оптимального возраста поглощает ежегодно 3–6 т СО2 и выделяет при этом 2–5 т О2. Лес, особенно хвойный, выделяет фитонциды, которые убивают болез нетворные микробы, оздоровляют воздух. Зелень существенно снижает солнечную радиацию. Среди зелени людям легче дышит ся, здесь не досаждают зной и пыль, не утомляют резкие шумы.

Большую роль играет лес в рекультивации земель.

Лес – источник древесины, технического и лекарственного сырья, пищи. Он ежегодно дает до 11 млн т ягод, орехов, соков. Из него изготавливают более 20 тысяч разнообразных предметов и веществ.

Лесные ресурсы России. Наша страна – самая лесистая страна мира. На долю России приходится около 20% покрытой лесами площади мира и около 25% мировых запасов древесины, из которых более половины – это ценная хвойная древесина.

В России леса занимают половину территории, из них хвойные леса – свыше 78% всей их площади: сосна – свыше 100 млн га (48–51%), ель (27–29%), кедр (2,5–3,2%). Они составляют 82% за пасов древесины.

Восточнее Урала сосредоточено 80% всего лесного фонда, на 95% площади преобладают хвойные породы, 62% относится к дре востоям, созревшим для рубки. Однако 2/3 древесины заготавлива ется в европейской части и на Урале и только около 1/3 – на восто ке страны. В целом по стране ежегодно потребляется около 400 млн м3 древесины, из них дрова составляют около 40%, кругляк – 40, пиломатериалы – 12, бумага – 5, деревоплиты – 3%.

В лесах России произрастает около 100 видов диких плодо вых, ягодных и орехоплодных растений. Всего плодово-ягодными дикорастущими насаждениями занято более 6 млн га лесной пло щади, в том числе около 5,5 млн га ягодниками. В лесном фонде России 39 млн га кедровых лесов, в том числе 6,6 млн га орехопро мысловых зон.

Ресурсы животного мира. Значение животного мира.

Влияние окружающего нас животного мира многообразно. Это и обмен веществ в природе, участие в создании климата, создание своеобразных ландшафтных форм (рифы, атолловые острова, боб ровые плотины, кротовые формы и т.п.). Живые организмы обра зуют осадочные горные породы (мел, известняки, фосфориты), раз рыхляют почвы и обогащают их (гуано, удобрения). Они являются кладовой человека: мясо, кожа, пушнина, кости, медицинские пре параты. Их используют для испытаний в экстремальных условиях (космонавтика, физиология, медицина), для перевозки грузов и доставки корреспонденции, охраны людей, животных, помещений, территорий, природных объектов. Волки и грифы играют роль са нитаров фауны. Комары в тундре, которые со 100 га площади ус ваивают до 5 кг азота, 9 кг фосфора и 6 кг кальция, образуют «ту чи» и переносят неорганические вещества на расстояние до 7 км.

Птицы содействуют уничтожению вредителей растений. Одна си ница сохраняет от вредителей 20 плодовых деревьев. За год семья скворцов съедает до 8000 жуков и личинок, сова – 1000 мышей.

Мухоловка поедает до 1 кг насекомых за 15 дней. Животные вы полняют большие воспитательные и эстетические функции.

Ресурсы биомассы животного мира относительно ресурсов флоры невелики, порядка 1%, или около 20 000 млн т. Из них (млн т): насекомых – 2400;

крупного рогатого скота – 1600;

буйволов, ослов, свиней, верблюдов, коз, овец, лошадей – 1470;

людей – 250;

промысловых рыб – 200;

птиц – 0,7;

диких копытных – 0,15. Био масса диких животных сильно зависит от численности домашних животных, исключая насекомых континентов и криль океана. Мас са добываемой рыбы (70 млн т) приближается к вероятной массе промысловых рыб. Человек для своих нужд использует 20% от об щей продуктивности биоты на суше и в океане. При этом использу ется всего 0,02–0,04% видового разнообразия животного мира. Ре зервы мясных продуктов (около 140 млн т) все более определяются выращиванием скота.

2.3. Воздействие человека на природные ресурсы Помимо влияния антропогенных загрязнений на фауну и флору, различают две причины антропогенного истощения при родных ресурсов: чрезмерное использование их для собственного пропитания и обеспечения условий жизни человека;

нерациональ ное вовлечение их в сельскохозяйственное и промышленное произ водство.

Человек – не только пассивный, но и активный субъект био сферы, природы. В связи с его бытовой, сельскохозяйственной и промышленной деятельностью на естественный круговорот ве ществ в природе ложится дополнительная нагрузка и по исполь зуемым природным ресурсам, и по загрязнениям природы. Антро погенное истощение природных ресурсов проявляется тогда, когда потребление этих ресурсов выше способности биосферы к их вос производству. Быстрый рост численности людей, объема производ ства и потребления средств существования все больше, а в послед ние десятилетия по экспоненте, сокращает природные ресурсы, особенно невоспроизводимые. Сокращаются поля, пригодные для посевов, ухудшается плодородие почв, сокращаются площади ле сов, запасы минерального сырья, топлива (нефть, каменный уголь).

Особенно губительны последствия необратимого, значительного сокращения генофонда флоры и фауны, т. е. исчезновение отдель ных видов живой природы. О степени изменения экологических компонентов биосферы можно судить по нижеприведенным при мерам.

Воздействие на ресурсы атмосферы. Потребление кисло рода человеком на свои нужды, особенно на сжигание топлива, достигает 20 млрд т/год, что составляет до 25% от его количества, вырабатываемого биосферой. Полагают, что идет потепление Зем ли за счет повышения концентрации диоксида углерода в атмосфе ре, что некоторые фреоны разрушающе действуют на озоновый слой.

Энергетика достигла объема 8 млрд кВт, что уже составляет до 25% от энергетики фотосинтеза. АЭС производят 18% энергии;

во Франции и Бельгии – до 70%.

Воздействие на ресурсы гидросферы. В развитых странах в сельском хозяйстве на орошение и полив расходуется около 50% воды, в промышленности – 40, на коммунальные нужды – 10%.

Среднее потребление воды в мире на эти нужды соответственно составляет около 60, 30 и 10%.

Сельское хозяйство. Площадь орошаемых земель в начале ХХ в. была равна 40 млн га, в 1970 г. – 235 млн га, в 2000 г. – млн га. Затраты воды на производство сельскохозяйственных про дуктов составляют (т / га): зерновые – 2–3;

сахарной свеклы – 3–6;

многолетние травы – 2–8;

хлопок – 5–8;

рис – 8–15. Безвозвратные потери воды при орошении достигают 20–60% от водозабора. Сум марное мировое водопотребление сельским хозяйством быстро рас тет (км3/год): начало ХХ в. – 350;

1970 г. – 1900;

2000 г. – 3400.

Промышленность. Еще быстрее растет расход воды в про мышленности. В 1900 г. она во всем мире расходовала около 30 км воды, в 1950 г. – 190, в 1970 г. – 510, в 2000 г. – 1900 км3.

Основной потребитель воды в промышленности – теплоэнер гетика. Здесь различают прямоточное и оборотное водопотребле ние. При прямоточном водопотреблении расходуется большое ко личество воды, но безвозвратные потери малы. При оборотном по треблении, когда отработанная вода после очистки снова использу ется в производстве, расход воды резко сокращается, например, те пловая станция при прямоточном водопотреблении расходует 1, км3 воды в год, при оборотном – 0,12 км3/год, т.е. в 13 раз меньше.

В южных районах расход воды больше, чем в северных. Атомные электростанции расходуют воды в 1,5–2 раза больше, чем тепло вые. Однако доля безвозвратных потерь воды в теплоэнергетике невелика – 0,5-2%, при общих потерях 5–10%.

Население. На коммунальные нужды в мире расходуется 5– 10% воды. Непосредственные физиологические потребности чело века в воде составляют около 2,5 л в сутки. Однако фактический суточный объем воды, потребляемый одним жителем в селе без во допровода, составляет 30–50 л, с водопроводом – 80–150 л, в горо де 200–600 л, т. е. в 20–250 раз больше, чем потреблял дикий чело век. Город с населением в 1 млн человек расходует в сутки до 0, млн м3 воды. С 1900 по 1950 г. водопотребление населением воз росло в 3 раза, с 1950 по 2000 г. – в 7 раз. Каждые 8–10 лет потреб ности в воде возрастают вдвое, что связано с ростом населения.

Доля безвозвратных потерь воды примерно равна 10%.

Суммарное водопотребление в России. В 1975 г. при годо вом стоке рек 4720 км3 (это около 11% речных стоков Земли) оно составило 335 км3, т.е. около 7%. Предполагаемый расход воды в 2000 г. составляет 800 км3. Это уже 17% речных стоков.

В мире нарушается баланс чистой воды в гидросфере, ощу щается ее дефицит. Так, безвозвратное потребление воды за счет водохранилищ составляет от 430 до 570 км3 в год. Неочищенных вод сбрасывается в водоемы до 30 км3 в год.

По данным М.И. Львовича, в середине 80-х гг. на земном шаре на промышленные и бытовые нужды расходовалось км3/год. Это около 0,5% речных стоков. По закону водопотребле ния фактический водозабор должен быть в 4 раза больше – км3/год, из них 450 км3/год – это возвратные или сточные воды.

Для их обезвреживания и разбавления нужна чистая вода, причем в 10–15 раз больше, около 6000 км3/год. Это составляет уже 30% ми рового стока рек.

Воздействие на ресурсы литосферы. Из общей площади земной суши уже 1/3 ее занята человеком под его надобности. Так, под промышленность и дороги отнимаются около 1 млрд га (7% площади суши), под луга и поля – около 3,7 млрд га (25% суши).

Извлекается огромное количество горных пород – до 100 млрд т, из них используется лишь около 1%.

Мировая добыча полезных важнейших ископаемых в 1980 г.

составила (млн т): каменный уголь – 2650;

бурый уголь – 930;

го рючие сланцы – 110;

нефть – 3460;

обогащенные железные руды – 706;

бокситов – 89;

хромовой руды – 4,3;

меди – 7,9;

цинка – 5,6;

NaCl – 165;

фосфатов – 135.

Приведенные данные показывают, что из недр Земли еже годно извлекаются миллионы тонн руд, а каменного угля и нефти – миллиарды тонн. И темпы их извлечения ежегодно растут: топли ва – на 4%, руд – на 5%.

В России за время демократизации и перехода на рыночные отношения (с 1990 г.) добыча и переработка полезных ископаемых уменьшилась на 30–50%. Ликвидируется значительное число пред приятий, шахт (более 100), рудников. Исключение составляют объ емы добычи газа, производства алюминия и цинка, которые почти не изменились. Тревогу вызывает низкий прирост разведанных за пасов полезных ископаемых. Новые собственники, добывающие и перерабатывающие полезные ископаемые, в частности газ и нефть, не желают вкладывать средства и заниматься разведкой их запасов, рассчитывая, что это по-прежнему будут делать за них государст венные структуры на средства налогоплательщиков. Другой недос таток – некомплексная и неглубокая переработка сырья, что приво дит к потере в отходах значительных количеств ценных компонен тов. Так, при обогащении руд теряется более 1/3 олова, вольфрама, около 1/4 железа, молибдена, оксида калия. В Сибири из недр из влекается лишь около 1/3 нефти. В больших объемах накапливают ся в отвалах вскрышные породы и отходы переработки, выводятся из оборота крупные массивы земель.

Проблема минерального голода. Запасы минерального сы рья истощаются, особенно полезных ископаемых и невосполнимо го ископаемого топлива: нефти, каменного угля, газа. Каменного угля при современных уровнях добычи хватит на 2–3 тысячелетия, а с учетом постоянного его роста добычи – на несколько столетий.

Нефть будет исчерпана в ближайшие столетия. Так, запасов нефти Кувейту хватит примерно на 220 лет, Ирану – на 115 лет, ОАР – на 70 лет. США 50% минерального сырья ввозят, оставляя свои недра преимущественно в неприкосновенности.

Воздействие на ресурсы почв и их плодородие. Природных причин разрушения почв две: эрозия и дефляция.

Эрозия (лат. erodere – размывать) – смыв и размыв плодо родного слоя почвы талыми и ливневыми водами. Ей особенно подвержены местности с волнистым и горным рельефом.

Дефляция (лат. deflare – сдувать) – сдувание ветром слоя почвы. Она особенно развита в засуху и на землях с нарушенным дерновым слоем почвы.

Негативное воздействие человека на почвы более разнооб разно:

изъятие сельскохозяйственных угодий из оборота под по селения, дороги, предприятия, при добыче полезных ископаемых, для водоемов, заказников и т.п.;

истощение почв гумусом из-за несбалансированного изъя тия из экосистем органического вещества в виде урожая;

деграда ция пастбищ из-за чрезмерного выпаса скота;

распашка земель, приводящая, к нарушению дернового слоя почвы, что способствует более быстрой эрозии и дефляции почвы, особенно на склонах;

засоление почв, загрязнение их пестицидами, токсиканта ми, особенно возле городов.

По оценкам ученых, с начала ведения человеком скотоводст ва и земледелия человечество по разным причинам, в том числе от эрозии почвы, потеряло около 2 млрд га земель, из них до 0,7 млрд га пахотных земель. Но что особенно тревожно: опустынивание суши продолжается и в настоящее время со скоростью от 5 до млн га/год. В России из 200 млн га пашни эрозии подвержены око ло 26 млн га, дефляции – 8 млн га, их совместному воздействию – 2 млн га. Земель, возможность эрозии и дефляции которых достаточно велика, в три раза больше. В последние 10–15 лет в России площади черноземов, нарушенных эрозией и дефляцией, увеличивались в среднем на 250–300 тыс. га в год. Из них 25– тыс. га черноземов теряется из-за образования оврагов.

Воздействие на ресурсы флоры и фауны. Сельскохозяйст венная деятельность человечества обострила состояние земного земледельческого почвенного покрова, растительного и животного мира. С начала скотоводства и земледелия, благодаря человеку, произошел рост пустынь на 1000 млн га (6,7% суши). И они растут со скоростью 10–44 га/мин. Эрозии почв подвергается ежегодно 200 тыс. га. Значительное сокращение человеком естественных биоценозов привело к глобальному воздействию на изменение ви дового состава растительности и живых организмов, на его обедне ние как в связи с истреблением целого ряда их представителей, так и в связи с определением человеком для культивирования избран ного им растительного и животного мира.

Сокращение генофонда флоры. Продолжающееся наступле ние человека на естественные биоценозы, пастьба скота, неконтро лируемая хищническая заготовка и истребление наиболее полезных и интересных растений приводят к их исчезновению и более широ кому распространению неиспользуемых сорных трав. Из 250 тысяч видов высших растений около 30 тысяч видов находится под угро зой исчезновения в ближайшие 100 лет. Используется же челове ком 10–15% от общего видового состава растений. В России еже годно исчезают 1–2 вида растений.

Ботаники всего мира бьют тревогу о гибели генофонда рас тений. Ими созданы Красные книги редких и исчезающих растений на глобальном и региональных уровнях, ведется разъяснительная работа. Однако эффективность воздействия проводимых природо охранных мероприятий на сознание населения, на деятельность от дельных природопользователей низка. Основная причина этому – отсутствие должного, широко организованного контроля и спроса за допускаемые случаи уничтожения редких и исчезающих видов растений как местным населением, так и специализированными службами и административными органами. Например, в России го сударственной системы мониторинга запасов диких растений нет, и, бесспорно, ее надо создавать.

Сокращение ареала лесов. С начала освоения человеком земледелия лесистость материков Земли сократилась с 10,4 до 3,9 млрд га, т.е. с 75 до 28%. Лес вырубается со скоростью до 20 га/мин. В Англии уничтожено лесов более 95%;

в Италии и Франции – 85–90;

в Америке – 70;

в Африке и европейской части России – 60%. Менее всего леса сократились в Финляндии – лишь на 35%.

В последние годы опасные масштабы приняло уменьшение площади тропических лесов в Африке, в Центральной и Южной Америке. Влажные тропические леса занимают только 6% суши, но они являются местом обитания почти половины всех биологиче ских видов на Земле и большинства из 80 тыс. съедобных растений.

Их растительность – основной генофонд для сельского хозяйства, лесоводства, фармации. При сохранении нынешних темпов сведе ния тропических лесов через 20 лет исчезнет 20% видов. Огромно значение влажных тропических лесов и для круговорота углерода в атмосфере. Поэтому проблема их сохранения имеет глобальное значение.

Основные причины сокращения ареала лесов на Земле: изъя тие территории лесов человеком для земледелия и других своих нужд;

неумеренная рубка и заготовка леса, когда его забирается не сравненно больше, чем воспроизводится;

лесные пожары;

вблизи поселений по вине человека происходит 97% пожаров, в малолюд ных местностях – 50–60%;

повреждение лесов вредными насеко мыми, особенно непарным шелкопрядом;

кислотные дожди;

рек реационные (лат. recreation – восстановление, время отдыха) пере грузки лесов при пребывании в них людей.

Вблизи городов, в густонаселенных местностях увеличение нагрузки на 1 га леса более 8–15 чел.·час или плотности кратко временно отдыхающих (посещающих) более 20–50 чел./га ведет к разрушению лесного биоценоза. Это, во-первых, связано с уплот нением при ходьбе людей поверхности почвы, вплоть до шести кратного (как у грунтовой дороги). Снижение пористости почвы и нарушение ее структуры ухудшает условия жизнедеятельности почвенных микроорганизмов и питание лесной растительности. Во вторых, сбор грибов, цветов, ягод, орехов подрывает самовозоб новление ряда видов растений. В лесу появляются вытоптанные поляны, где уже нет растительности, а также обломанные деревья, кучи мусора и черные пятна кострищ. В-третьих, шум отпугивает птиц и млекопитающих, мешает им нормально растить свое потом ство.

Большой вред лесному хозяйству наносят пожары Например, пожар в Средней Сибири 1915 г. имел очаг в 160 млн га, при кото ром сгорела тайга на площади 12,5 млн га. Уничтожая лесную рас тительность, пожары приводят к смыву и уносу ветром маломощ ного почвенного слоя и образованию каменистых осыпей, скорость эрозии почвы возрастает в сотни раз, усиливаются паводки на ре ках. После пожаров и бессистемной вырубки лесов ухудшается со став лесов, уменьшается прирост деревьев, начинают быстро раз множаться вредные насекомые и дереворазрушающие грибки. Воз никают «зеленые пожары», когда шелкопрядом поражаются гро мадные лесные массивы. Так, в 1896–1909 гг. в Восточной Сибири от шелкопряда лес пострадал на площади 565 тыс. га.

Сокращение численности фауны и ее генофонда. Есте ственная регуляция животного мира весьма разнообразна. Она за висит от мест распространения (континенты, острова, изолирован ные ландшафты), путей миграции, степени изменения климатиче ских условий, стихийных бедствий, эпидемий и т.п. Так, в природе глобальные изменения климата привели к гибели динозавров и значительно позднее – мамонтов. Гибель живого мира на больших территориях наблюдается от крупных природных катастроф: боль шие пожары и землетрясения, обширные наводнения и ураганы, сильные похолодания и засухи.

Однако более масштабно и разнообразно антропогенное воз действие на численность животного мира С использованием жи вотных в пищу и для изготовления одежды связано истребление ряда его видов: стеллерова корова, тур, бескрылая гагарка и многие другие. Всего истреблено от 200 до 400 видов животных. Под угро зой исчезновения находится еще 1200 видов. Необоснованно уве личение отстрела и отлова животных. Например, в 1920 г. китов было добыто 11,4 тыс., а через 35 лет, в 1965 г., – уже около 65 тыс.

На Гавайских островах уничтожено 60% фауны. На Маскаренских островах стаи птиц сократились на 86%.

С другой стороны, во вред диким животным происходило одомашнивание и культивирование отдельных видов и групп жи вотных, причем не всегда с практической целью. Развитие коз в Южной Европе привело почти к катастрофическим последствиям для растительности. Культ «священных» коров в Индии, количест во которых достигло 250 млн, наносит существенный урон расти тельности и экологии. Привоз кроликов в Австралию привел к зна чительному изменению фауны и флоры в ее травянистых ландшаф тах. Выбивание леопардов в Кении послужило причиной губитель ного развития кабанов. Наблюдаются переловы рыб в различных водных бассейнах.

2.4. Загрязнение природной среды 2.4.1. Характеристика загрязнений Загрязнение природной среды – это неблагоприятное изме нение среды обитания, которое прямо или косвенно меняет физико химические свойства среды и условия существования живых орга низмов. Загрязнение может быть связано с природными явлениями и с деятельностью человека.

В зависимости от сферы деятельности человека различают бытовые, сельскохозяйственные, промышленные загрязнения.

Промышленные выбросы дополнительно классифицируют по раз ным признакам на организованные и неорганизованные, непрерыв ные и периодические, горячие и холодные, точечные и рассредото ченные, первичные и вторичные.

Различают два типа загрязнения: вещественное и энергетиче ское.

По виду воздействия загрязнение может быть механическое (твердые тела в воздухе, воде), физическое (шум, излучение), хими ческое, биологическое (насекомые, микроорганизмы). Виды энерге тического загрязнения: тепловые выбросы;

колебания звуковой частоты: шум, вибрация;

электромагнитные поля;

световое, лазер ное, радиоактивное излучения.

Загрязнители (загрязняющие вещества) различают по агре гатному состоянию: выбросы в атмосферу (газообразные, жидкие, твердые, смешанные), сточные воды, твердые отходы и по степени загрязнения: условно чистые, загрязненные;

нетоксичные, токсич ные.

Основная характеристика загрязнителей – это их пре дельно допустимая концентрация (ПДК). По токсичности вредные вещества по ГОСТ 12.1.007-76 подразделяют на 4 класса: 1 – чрез вычайно опасные;

2 – высоко опасные;

3 – умеренно опасные;

4 – малоопасные.

В этом стандарте приведены ПДК более чем для 2000 ве ществ.

Одновременное присутствие в биосфере нескольких вредных веществ должно удовлетворять условию: сумма их относительных количеств должна быть не более 1:

C1/ ПДК1 + C2/ ПДК2 +…+ Cn/ ПДКn 1. (2.2) где C1, C2, Cn – концентрация вещества;

ПДК – его предельно до пустимая концентрация.

Загрязнение атмосферы, гидросферы и литосферы рассмат риваются отдельно.

2.4.2. Загрязнение атмосферы Виды загрязнителей атмосферы. По ГОСТ 17.2.1.01– выбросы в атмосферу классифицируют: по агрегатному состоя нию: 1) газообразные (SО2, СО, NOx, углеводороды), 2) жидкие (кислоты, щелочи, растворы солей, жидкие металлы, органические соединения), 3) твердые аэрозоли (канцерогенные вещества, сви нец и его соединения, пыль, сажа);

по массе выброса (т/сутки):

1) < 0,01;

2) 0,01–0,1;

3) 0,1–1;

4) 1–10;

5) 10–100;

6) > 100;

по раз меру твердых частиц (мкм): 1) до 1;

2) 1–10;

3) 10–50;

4) более 50;

по размеру жидких частиц (мкм): 1) 0,5 – супертонкий туман;

2) 0,5–3 – тонкодисперсный туман;

3) 3–10 – грубодисперсный туман;

4) более 10 – брызги.

В состав аэрозолей обычно входят 4 группы веществ: твер дый углерод (сажа), сульфаты, органические соединения, вода.

Особый вид загрязнения атмосферы – радиоактивные нуклиды (см.

п. 2.3.6).

Естественное загрязнение атмосферы определяется пожа рами, пыльными бурями, извержением вулканов, разрядами мол ний (синтез оксидов азота). Примеры: извержение вулкана Крака тау в 1883 г., закрывшее пылью большую часть неба Земли;

пыль ная буря 1975 г. в пустыне Сахара, достигшая земель Югославии.

Основные источники антропогенного загрязнения атмо сферы. В развитых странах основное загрязнение атмосферы соз дают теплоэнергетика (тепловые электростанции), промышлен ность (металлургические и цементные заводы) и автотранспорт. В России в 90-х гг. ежегодные выбросы загрязняющих веществ в ат мосферу достигали 40 Мт (около 6% мировых выбросов), в том числе от стационарных источников – около 20 Мт. Из них доля вы бросов теплоэнергетики составляла 27%, черной и цветной метал лургии – 35, нефтедобычи и нефтехимия – 15, стройиндустрии – 8, химической промышленности – 2%. Доля транспорта – 30–35% от общей массы выбросов, в том числе автотранспорта – 95%, самоле тов – 2,5, водного транспорта – 2,5%. В США основным загрязни телем воздуха является автотранспорт – более 50%.

Промышленные загрязнения преимущественно связаны с пе реработкой или сжиганием каменного и бурого угля. Так, при кок совании 1 т угля образуется около 300 м3 коксового газа. Он поми мо водорода и метана, которые составляют 70-90% его общего объ ема, содержит около 4–5% СО, 2–3% углеводородов, 5–10% азота и его соединений. Около 6% газа теряется и поступает в атмосферу.

При выплавке 1 т чугуна выброс пыли составляет около 4, кг, сернистого газа – 2,7 кг. Вместе с доменным газом в атмосферу также выбрасываются в небольших количествах соединения мышь яка, фосфора, сурьмы, свинца, пары ртути и редких металлов, циа нистый водород и др. Учитывая большие объемы выплавляемого чугуна (сотни миллионов тонн), масштабы загрязнения воздуха ме таллургическими заводами велики.

Однако в бльших масштабах воздух загрязняется пылью, оксидами серы и азота, другими вредными веществами при сжига нии угля на тепловых электростанциях. Так, современная тепловая электростанция мощностью 2,4 млн кВт расходует до 20 тыс. т угля в сутки и выбрасывает в атмосферу около 680 т оксидов серы, 200 т оксидов азота, 120-240 т твердых частиц (зола, сажа, пыль).

Химическая промышленность загрязняет атмосферу токсич ными газами. Последствия их воздействия на биосферу, человека иногда трагичны. В 1984 г. в г. Бхопале в Индии при аварии на электростанции в воздух поступило 40 т токсичных газов, что при вело к смерти 2,5 тыс. чел. и заболеванию более 50 тыс. чел. В мек сиканском городе Сегодад за счет ядовитого воздуха, принесенного с территории США, произошли массовые отравления детей ртутью, содержащейся в виде взвеси. Умерло 8 тыс. чел.

Основным загрязнителем городской атмосферы является ав тотранспорт – 30–70%. Суммарная мощность автомобильных дви гателей больше мощности тепловых станций. В СССР выбросы вредных веществ автомобилями (на 80–90% грузовыми) составляли (млн т/год): в 1960 г. – около 10, в 1970 г. – 22, в 1980 г. – 39. Авто мобили мира в 80-х гг. ежегодно выбрасывали в атмосферу (млн т/год): СО – 260, углеводородов – 40, оксидов азота – 20. В круп ных городах мира (Нью-Йорк, Москва, Токио и др.) автомобильная доля загрязнения воздуха оксидом углерода составляет 90-99%, уг леводородами – 65–90%, оксидами азота – до 33%. И степень этого загрязнения с увеличением автомашин грозит создать в городах не здоровые условия жизни, в отдельных случаях – смертельные, осо бенно когда добавляются иные промышленные выбросы.

В крупных городах с большой плотностью автотранспорта и котельных, сжигающих каменный уголь, нефтяные продукты, при застое воздуха образуется смог – смесь дыма с ядовитым туманом.

Он содержит высокие, опасные для жизни людей концентрации угарного газа СО, оксидов серы, азота и их соединений.

Примеры. 1. В Лос-Анджелесе до 60 дней в году наблюдает ся сильный фотохимический туман из-за загрязнения воздуха авто транспортом. При этом за счет фотореакции образуются нитраты, озон, органические перооксиды, пероксилацетилнитрат. 2. В г. До норе (США) 26 октября 1948 г. густой туман – смог – окутал на двое суток дома. Заболело около 6 тыс. чел., 20 чел. умерли.

3. В Лондоне в декабре 1952 г. за 3–4 дня от смога пострадали бо лее 4 тыс. чел. Главным вредным компонентом был оксид серы SO2.

Смоги и кислотные дожди – примеры негативного воздейст вия человека на природу. Оно принимает все более угрожающий характер.

Общая масса антропогенного загрязнения атмосферы со ставляет около 700 Мт/год. Данные по массе веществ, приведенные в таблице 2.1, ориентировочны, поскольку они весьма различны у разных авторов. Это обусловлено большими колебаниями природ ных и антропогенных выбросов. При сжигании топлива также об разуются пары воды и СО2. Их к вредным веществам не относят.

Таблица 2. Масса веществ, в основном загрязняющих в атмосферу, Мт/год Вещество СО SO2 NOx Дым, CnHx Фрео- O3 Pb Hg пыль ны Естественное 5000 140 1400 20000 1000 – 200 – – поступление Антропогенные 300 150 50 50 2 – 0,2 0, выбросы Почти половина антропогенного загрязнения атмосферы СО, NOх, SO2, углеводородами связана с выхлопами автотранспорта, количество машин которого в мире составляет около 500 млн И до ля этих загрязнений возрастает, так как постоянно растет число ав томобилей.

СО. Его основной антропогенный источник – более 80%– выхлопные газы автомашин (260 Мт/год). Они содержат его до 15%. В природе основной источник СО – лесные пожары.

SO2. Человек его получает обычно при сжигании угля (70%) и мазута (16%). Природный источник – действующие вулканы.

NOx – NO и NO2. Образуются при грозах и работе двигате лей.

Углеводороды CnHx. Их главный источник – растения (1000 Мт/год). Основной антропогенный источник – выхлопные газы автотранспорта (более 60%).

Влияние загрязнения атмосферы на человека, фауну и флору В организм человека и многих животных загрязнители ат мосферы попадают преимущественно (на 90%) через систему ды хания. В организме вредные примеси вызывают токсический эф фект, являются помехой для очистки дыхательного тракта, могут быть носителями ядовитых веществ. Основные виды заболеваний от загрязнения воздуха: бронхиты, астма, поражение верхних ды хательных путей, эмфизема легких;

сердечно-сосудистые заболева ния;

болезни глаз.

Примеры. СО соединяется с гемоглобином крови. При его концентрации больше 0,4% ухудшается острота зрения, при 2–5% происходит поражение психомоторных функций головного мозга, при 5–10% нарушается деятельность сердца и легких, а при 10% и больше наступает головная боль, спазмы, паралич легких, смерть.

Оксиды серы SO2, SO3 и серная кислота также приводят к заболе ваниям дыхательных путей и легких. Кислые дожди наносят боль шой вред растительности, часто губят ее на больших территориях, вдали от источников загрязнения. Оксиды азота и продукты их взаимодействия с углеводородами, типа пероксилацетилнитрата (ПАН) вызывают воспаление глаз, спазмы грудной клетки, силь ный кашель.

Проблема озона О3. Считается, что слой озона в атмосфере на высоте 20–60 км служит щитом для живых организмов, предо храняя их от губительного жесткого ультрафиолетового излучения Солнца. Предполагают, что он сильно поглощает ультрафиолето вую радиацию с длинами волн 0,22–0,29 мкм (220–290 нм). Удель ное содержание О3 (озона/возд.) 106 составляет в северном полуша рии от 0,029% (1961–1962 гг.) до 0,031% (1972–1974 гг.). В течение года максимум концентрации озона наблюдается весной, в апреле (0,033–0,035%), а минимум осенью, в октябре (0,027%).

Циклическое изменение содержания озона объясняются:

11-летним циклом солнечной активности;

циркуляцией атмосферы, которая приводит к переносу в высокие слои атмосферы оксидов азота, хлора, фреонов, а они катализируют процесс разложения О до О2. Однако здесь много неясного. Так, во-первых, молекулы ука занных катализаторов в несколько раз тяжелее молекул воздуха (О и N2) и их подъем в высокие слои атмосферы маловероятен. Во вторых, на высоте более 20 км атмосфера очень разрежена, концен трация молекул воздуха весьма мала и встреча их и продуктов ре акции с частицами катализатора – это исключительное событие.

В-третьих, непонятен сам механизм фотохимической реакции ультрафиолета с молекулами озона, поскольку дальше атомы озо на, в отличие от атомов кислорода, окисляться (терять электроны) не могут. В-четвертых, образование озонных дыр в полярных облас тях легко объяснить низким или полным отсутствием (в полярную ночь) потока солнечного ультрафиолетового излучения, вызываю щего генерацию озона из кислорода. Иными словами, ультрафио летовое излучение скорее поглощает кислород, а не озон, и озоно вые дыры никому не грозят.

2.4.3. Загрязнение гидросферы Гидросфера объединяет все свободные воды, которые могут перемещаться под влиянием солнечной энергии и сил гравитации.

Это воды океанов, морей, озер, снега, подземные, грунтовые, реч ные, атмосферные (в виде пара, тумана).

Как отмечалось в п. 2.2.3, на Земле имеется около 1,4 млрд км3 соленой воды (97%). Площадь водной поверхности равна млн км2. На суше находится до 40 млн км3 (3%) свободной пресной воды. В виде ежегодно возобновляемого стока рек мира объем пре сной воды, наиболее нужной для живых организмов, составляет около 0,04 млн км3, или около 0,1% от всего ее объема.

Виды загрязнителей гидросферы. Различают загрязнители гидросферы по природе: минеральные (около 42%), органические (около 58%), биологические (бактериальные);

по объекту: про мышленные, хозяйственно-бытовые, фекальные;

по растворимо сти: нерастворимые, растворимые и т.п.

К минеральным загрязнителям относят песок, глину, шлак, соли, кислоты, щелочи, минеральные масла и т.п., содержащиеся в сточных водах металлургической и машиностроительной промыш ленности, отходах нефтяной и перерабатывающей промышленности.

Органические загрязнители по происхождению делят на рас тительные: трава, растительные и пищевые остатки, бумага, неф тепродукты;

животные: загрязнения животноводческих ферм, вы деления животных, стоки боен скота, кожевенных заводов, био фабрик.

Источники загрязнения гидросферы – это объект или субъект, вносящий в воду загрязняющие вещества, микроорганиз мы или теплоту. Ими являются атмосферные и талые воды городов, бытовые и промышленные сточные воды, животноводческие стоки и грунтовые воды, загрязненные удобрениями и пестицидами. Еже годно в водоемы сбрасывается около 30 млрд м3 неочищенных вод.

Основная причина загрязнения морских вод – разливы нефти. За грязнение водных систем более опасно, чем загрязнение атмосфе ры, потому что процессы очищения воды протекают значительно медленнее.

Загрязнение рек и водоемов. Они загрязняются сточными водами промышленных и коммунальных хозяйств;

водами шахт, рудников, нефтепромыслов;

атмосферными загрязненными осад ками;

сбросами транспорта;

продуктами сельскохозяйственной деятельности и обработки технических культур;

отходами произ водств;

отходами древесины при заготовке и сплаве леса. К загряз нителям относятся: поверхностно-активные вещества, синтетиче ские моющие средства, пестициды и другие химические соедине ния, фекальные спуски и т.д.

Во многих густонаселенных территориях интенсивно загряз няются реки. Воду таких рек не только пить, но и купаться нельзя в ней. Нил – древняя река человечества, за год принимает в себя около 100 млн м3 ядовитых отходов и нечистот. В Индии с 1940 по 1950 г. фекальные инфекции от загрязненных вод привели к смерти около 27 млн чел. Рейн превращен в сточную канаву Европы. Лишь один промышленный гигант «Байор» сбрасывает в него ежегодно до 3000 т ядовитых веществ. В Майн ядовитые сливы в количест вах более 800 т поставляет компания «Фарбверх Хехст». В круп нейшую реку Европейской России Волгу поступает около км3/год сточных вод при потоке воды у Волгограда в 240 км3/год.

Разбавление стоков составляет менее 1/10, тогда как по нормам оно должно составлять от 1/20 до 1/30.

Умирают озера. Пример тому – Аральское море-озеро, ко торое гибнет из-за уменьшения поступления воды в связи с по стройкой Каракумского канала и роста расхода воды рек Амударьи и Сырдарьи на полив. Одно из Великих озер Америки – озеро Эри – превращается в сточный водоем, в который ежегодно сбрасыва ется 6 тыс. м3 сточных вод и до 40 млн м3 промышленных сливов.

Загрязняются, преимущественно стоками целлюлозных комбина тов, озеро Ладога и чистейшее озеро мира – Байкал.

Загрязняются и истощаются подземные запасы вод. Даже ледники загрязняются при выпадении осадков. Во льдах Гренлан дии содержание свинца в 1969 г. по сравнению с 1953 г. повыси лось в 20 раз и превышает естественный уровень чистых льдов в 500 раз.

Загрязнение морей. Оно происходит: вследствие промыш ленной, сельскохозяйственной и бытовой деятельности людей, ко торая приводит к загрязнению рек, впадающих в моря;

из-за непо средственных сбросов в моря отходов и грязных стоков;

из-за раз лива нефти из танкеров при их крушении. Некоторые из сбросов удобряют прибрежные части морей и океанов, создавая обилие фи топланктона, рост сине-зеленых водорослей и, как следствие, за полнение ими огромных акваторий и гибели других живых орга низмов моря. Сейчас это достигло такой степени, что море, не смотря на значительные резервные функции самоочищения, уже не способно восстановить свои природные качества, если ему не по мочь. В первую очередь это касается внутренних водоемов: Кас пийского, Средиземного, Балтийского, Красного, Аральского и других морей. По заключению Ж.-И. Кусто, без неотложных мер по восстановлению вод Средиземного моря оно станет мертвым всего через 40 лет.

На первом месте среди загрязнителей моря находится нефть.

Так, авария на скважине у Санта-Барбары в Калифорнии в 1969 г.

сопровождалась суточным изливом в море до 100 тыс. л нефти.

Авария супертанкера «Торри-Карион» у южной оконечности Анг лии привела к загрязнению моря 17 тыс. т нефти. И эти примеры можно долго приводить. Из-за разливов нефти первичная продук ция моря только за последние 25 лет уменьшилась на 15–25%. Дру гими загрязнителями морских вод являются пестициды, отходы ме таллургических и химических производств, особенно содержащие три тяжелых металла: ртуть, медь свинец. Так, в морскую среду ежегодно попадает около 5 тыс. т ртути.

Воздействие загрязнений гидросферы на флору, фауну и человека. Кислотные дожди, которые порождаются продуктами сгорания природных углей и нефтяных продуктов, губят расти тельность, ухудшают качество грунтовых вод. Рекордное повыше ние кислотности воды до рН 2,4 зафиксировано в шотландском го роде Питлохри. На севере Скандинавии образовались «кислотные» озера. В Австрии в 1983 г. было подвержено заболеванию 200 тыс.

га лесных массивов. Гибель леса приводит к эрозии горных скло нов, возрастает опасность лавин и обвалов. Леса превращаются в каменистую пустошь.

От сбросов неочищенных вод в водоемы гибнет рыба и вод ная растительность. Постоянное употребление человеком воды, со держащей концентрации вредных примесей больше ПДК в не сколько раз, приводит к хроническим заболеваниям кожи, желудка, печени. При большом превышении ПДК возможны отравления и смерть. Появление в воде болезнетворных микроорганизмов может вызвать эпидемию, например, холеры.

Особую опасность для живых организмов представляет за грязнение морей и прибрежной зоны при разливе нефти из потер певших крушение танкеров (около 10 млн т/год), при авариях на морских буровых платформах, при промывке танкеров (около млн т/год). Обычно такие аварии вызывают экологическую катаст рофу в местах попадания нефти в воду, поскольку нефть и нефте продукты оказывают вредное воздействие на многие живые орга низмы, в первую очередь на исходный продукт питания большин ства морских организмов – планктон.

2.4.4. Загрязнение биолитосферы Источники загрязнения биолитосферы. Загрязнение рас тительности, строений, почвы, недр возможно газами, аэрозолями, пылевидными, жидкими и твердыми веществами. Например, вы хлопные газы автомашин содержат оксиды азота, соединения свинца, углеводороды, сажу, которые, оседая на придорожных рас тениях и почве, вовлекаются в природные круговороты, связанные с пищевыми цепями. Большой урон, особенно лесам, наносят ки слотные дожди. Выпадение радионуклидов на обширной террито рии после аварии на Чернобыльской АЭС – страшный пример за грязнения биосферы человеком. Однако основной вклад в загряз нение литосферы вносят твердые отходы. Так, в мире ежегодно до бывается свыше 100 млрд т полезных ископаемых, из которых око ло 99% идет в отходы.

Твердые отходы по виду деятельности человека подразде ляют на промышленные, сельскохозяйственные и бытовые.

Промышленные отходы: отвалы (основная масса отходов), шлаки, шламы, зола и иные горной, горно-химической, металлур гической промышленности и ТЭЦ;

металлическая стружка, брако ванные изделия, металлолом металлообрабатывающих предпри ятий;

фосфорогипс, огарок, шламы, отходы резины, пластмасс хи мической промышленности;

радиоактивные отходы атомной про мышленности и АЭС;

отходы лесозаготовок, лесопиления, дере вянных конструкций, мебели лесной и деревообрабатывающей промышленности;

кости, шерсть, шелуха, мусор пищевой и легкой промышленности.

Сельскохозяйственные отходы: солома, труха, раститель ный мусор;

навоз;

остатки удобрений и пестицидов, обломки тары.

Бытовые: отходы пищи, очистки, мусор, стекло и т.п.

Загрязнение почвы пестицидами, токсикантами Почвы могут загрязняться патогенными бактериями, пестицидами, токси кантами. Биологическое загрязнение описано в п. 2.4.5.

Пестициды (лат. petis – зараза, cido – убивать) – собиратель ное название ядохимикатов, предназначенных в сельском хозяйст ве. Их классифицируют по гигиеническому, химическому и произ водственному признаку.

В зависимости от объекта воздействия (сорняки, насеко мые, животные) пестициды подразделяют: для борьбы с клещами – акарециды, с бактериями – бактерициды, с грызунами – зооциды, с вредными насекомыми – инсектициды, с круглыми червями – не матоциды, с грибками, паразитирующими на растениях, – фунги циды, с микроорганизмами, разрушающими неметаллические мате риалы – антисептики;

для уничтожения сорняков – гербициды, во дорослей – альгициды;

для удаления листьев – дефолианты, из лишних цветков – дефлоранты, для высушивания листьев на кор ню – дисиканты.

Многие пестициды – ядовитые вещества, некоторые из них сильные яды. В основном это органические вещества, содержащие хлор (гексахлоран, полихлоркамфен, алдрин, ГХЦГ – гексахлор циклогексан, дилор), фосфор (хлорофос, метафос, карбофос, фоза лон, фосамид и др.), ртуть (гранозан, меркуран, агронал, фализан и др.), мышьяк, цианиды. Ряд пестицидов, например ДДТ – 4,4 дихлор-дифенилтрихлорэтан, долго сохраняется в природной сре де. Металлы пестицидов (ртуть, свинец и др.) способны накапли ваться в живых организмах.

Человек ежегодно теряет около 35% урожая, в том числе от вредителей – около 14%, болезней – 11, сорняков – 10%. Примене ние пестицидов позволяет снизить эти потери и повысить урожай ность. Мировое производство пестицидов составляет более 2 млн т, в России около 150 тыс. т. Их ассортимент – более 1000 наимено ваний, в России – около 100. Однако из-за приспособления вредите лей к пестицидам потери урожая снова возрастают. Кроме того, не умелое и неумеренное их использование приводит к гибели полез ных живых организмов, загрязнению почвы и затем грунтовых вод.

Так, в России 6–9% обследованной площади почвы загрязнены пес тицидами, преимущественно запрещенным теперь 4,4 дихлордифенил-трихлорэтаном (ДДТ), а в Московской и Иркут ской областях – до 50% площади.

Токсиканты – ядовитые вещества, попадающие в почву из выбросов, сбросов и отходов больших городов и крупных предпри ятий металлургии, нефтехимии, угледобычи, машиностроения. Их различают по классам опасности: класс I – 3,4-бензпирен, соедине ния мышьяка, ртути, свинца, селена и др.;

класс II – соединения хрома (VI), меди, сурьмы, молибдена, никеля и др.;

класс III – аце тофенон, соединения ванадия, марганца, стронция, вольфрама, фтора. Из 85 обследованных в 12 городах России загрязнение поч вы по отдельным токсикантам превышает ПДК примерно в 10 раз.

В трех городах – Белово (Кузбасс), Мончегорск (Кольский полуост ров), Ревда (Урал) – загрязнение почвы в городе и в радиусе 5 км от него относится к чрезвычайно опасному.

2.4.5. Биологическое загрязнение В отличие от воздуха вода и особенно неподвижная почва способны накапливать и хранить попадающие в них загрязнения, в том числе биологические. Почва и вода – среда обитания низших животных и микроорганизмов, таких как бактерии, грибки, вирусы и др. Некоторые из них являются болезнетворными: палочки си бирской язвы, столбняка, ботулизма, газовой гангрены, возбудители дизентерии, холеры, тифа, чумы, ящура, бруцеллеза и др.

Источники болезнетворных загрязнений: недостаточно обезвреженные твердые и жидкие хозяйственно-бытовые отходы (особенно учреждений здравоохранения), скотомогильники, вы бросы животноводческих комплексов и ряда предприятий – боен, биофабрик и т.п.

Другой вид биологического загрязнения – это насекомые и другие организмы – переносчики болезней, например, комары (ма лярия), клещи (энцефалит), вши (тиф), мыши и крысы (чума) и т.д.

Серьезный вред наносят животные и растения, попавшие из другой экосистемы в новую экосистему, где у них нет естествен ных врагов (экофагов). Примеры: массовое размножение и рассе ление кроликов в Австралии, где нет волков и лис;

быстрое распро странение колорадского жука из Америки по Европе и Азии;

на ступление на местные леса Колхиды (Грузия) эвкалиптов, ввезен ных из Австралии и высаженных для осушения болот.

2.4.6. Физическое загрязнение Человек создал новые виды вредного воздействия на свое собственное здоровье – энергетические. Это следующие виды фи зического загрязнения: повышенный уровень шума, вибрации, световых, электромагнитных и ионизирующих (радиоактивных) излучений.

Шум представляет смесь звуков разной интенсивности и частоты. Вибрация – колебания твердых тел, воспринимаемые как сотрясения. Шумы и вибрация связаны с работой машин и меха низмов (дробилок, молотов, моторов, вентиляторов и др.) и движе нием газов, жидкостей, транспорта. Шум и вибрация нарушают нормальную деятельность сердечно-сосудистой и нервной систе мы, пищеварительных и кроветворных органов, ухудшают слух, вызывают тугоухость. Вибрация вызывает онемение конечностей, заболевание суставов.

Уровень громкости звука L при его звуковом давлении Р оце нивают в логарифмической шкале, в белах (Б), точнее в 10 раз больше – в децибелах (дБ):

L = 10 lg (P / Po)2 = 20 lg (P / Po). (2.3) Здесь Ро – давление звука на пороге слышимости, Ро = 210–5 Па.

Примеры уровней громкости звука (дБ): шепот – 10;

тихий сад – 20;

шаги, тихая музыка – 40;

разговор – 60;

громкая речь – 70;

салон самолета – 80;

гудок автомобиля, шум от транспорта – 85;

отбойный молоток – 110;

гром – 120;

болевой порог – 120…130.

Шум более 140…150 дБ разрывает барабанные перепонки. Гигие нический предел громкости – шум 70 дБ с частотой 1000 Гц.

Оптимальный (комфортный) уровень громкости звука – 30–40 дБ.

Методы снижения шума и вибрации: в домах и на рабочих местах – замена шумящих и вибрирующих устройств бесшумными или малошумящими, невибрирующими;

их изоляция средствами звуко- и виброизоляции, звуко- и вибропоглощения;

использование средств индивидуальной защиты;

вне помещений – создание ма лошумящей техники (самолетов, наземного транспорта), увеличе ние расстояния источника шума от жилых построек и мест пре бывания скопления людей, устройство шумозащитных полос озе ленения.

Электромагнитное излучение. Источниками электромаг нитного излучения служат ЛЭП, радио- и телестанции, средства радиолокации и радиосвязи, компьютеры, сотовые телефоны, энер гоемкие установки.

Длительное воздействие высоковольтного электромагнит ного поля промышленной частоты (50 Гц) и полей радиочастот (106–1012 Гц) на организм человека приводит к нарушениям нерв ной и сердечно-сосудистой системы. Признаки этого нарушения:

головная боль, головокружение, потемнение в глазах, боли в облас ти сердца, увеличение давления крови, частоты пульса, повышение утомляемости, сонливость, снижение и потеря памяти, появление чувства тревоги, страха. Возможны раковые заболевания и др.

Основной вид защиты людей от воздействия электрическо го поля частотой 50 Гц – ограничение времени их пребывания в ра бочей зоне. По ГОСТ 12.1.002-84 это время составляет: при напря женности электрического поля до 5 кВ/м – рабочий день, при 5– кВ/м – по формуле (часы): Т = [(50/Е) – 2] (Е – в кВ/м), при 20– кВ/м – не более 10 мин. При напряженности поля более 25 кВ/м обязательно применение экранов и экранирующей одежды.

Внутри жилых помещений напряженность электрического поля дол-жна быть не более 0,5 кВ/м, на территории жилой за стройки – до 1 кВ/м.

Радиочастоты подразделяют на три диапазона: высокие частоты (ВЧ) – от 0,06 до 30 МГц, ультравысокие (УВЧ) – от 30 до 300 МГц, сверхвысокие (СВЧ) – от 0,3 до 30 ГГц. Согласно ГОСТ 12.1.006-84 допустимая в течение рабочего дня напряженность электрического поля уменьшается с 50 В/м для частот 0,06…3 МГц до 5 В/м – для частот 50…300 МГц. Нормативное значение энерге тической нагрузки СВЧ за рабочий день равно 2 Втч/м2. Для терри торий жилой застройки установлены следующие предельно допус тимые значения электромагнитной энергии: длинные радиоволны (0,03–0,3 МГц) – 20 Вт/м;

средние волны (0,3–3 МГц) – 10 Вт/м;

короткие волны (3–30 МГц) – 4 Вт/м;

УВЧ – 2 Вт/м;

СВЧ – 5 мкВт/см2.

Защита персонала от воздействия радиоволн при превыше нии допустимых норм: экранирование источника излучения и ра бочего места, увеличение расстояния, рациональное размещение оборудования, применение средств предупреждения и индивиду альной защиты. Передающие радиоцентры, телецентры, радиоло каторы при мощности передатчиков 100 кВт и более размещают вне населенных пунктов с обустройством санитарно-защитных зон с шириной не менее 1 км, а для коротковолновых станций мощно стью 25–100 кВт – шириной 0,4–2,5 км, свыше 100 кВт – более 2,5 км.

2.4.7. Радиоактивное загрязнение Ионизирующее – обычно это радиоактивное излучение, взаимодействие которого со средой приводит к образованию элек трически заряженных частиц. Различают два вида ионизирующего излучения: корпускулярное – поток частиц с массой покоя, отлич ной от нуля (-частицы, -лучи (электроны), нейтронное (n) и про тонное (р) излучение);

фотонное – поток электромагнитных коле баний (рентгеновские и -лучи).

Источники облучения. Люди подвергаются внешнему и внутреннему облучению ионизирующим излучением природных и искусственных источников. К природным источникам относятся космическое излучение и природные радионуклиды, содержащиеся в природной среде и поступающие в организм человека с воздухом, водой и пищей. Искусственные источники излучения, произво димые атомной промышленностью, АЭС, разделяются на техно генные (искусственные или сконцентрированные человеком при родные радионуклиды, генераторы ионизирующего излучения) и медицинские (диагностические и радиотерапевтические).

Характеристики излучения. Ионизирующая способность излучения – это число пар ионов, создаваемых излучением в едини це объема, массы среды или на единицу пути. Она наиболее велика у -частиц. В биологической ткани -частицы с энергией 2 МэВ создают на 1 мкм пути более 7000 пар ионов, протоны – около пар ионов, электроны – около 8 пар.

Проникающая способность излучения – это путь, пройден ный частицей в веществе до ее полной остановки. Пробег сильно зависит от вида излучения, его энергии и от свойств поглощающего вещества, особенно от его плотности. Так, пробег -частиц с энер гией 5–9 МэВ в воздухе составляет 35–90 мм, в биологической тка ни – 0,04–0,10 мм. Для -лучей с энергией 1–3 МэВ длина пробега в воздухе составляет метры и десятки метров. Фотонные излучения обладают большой проникающей способностью, в воздухе – мно гие тысячи метров. Для практических расчетов используется тол щина половинного ослабления -излучения, т.е. толщина защиты, которая уменьшает излучение в два раза. Для свинца она равна около 2 см, стали – 3, бетона – 10, дерева – 30 см.

Единицы ионизирующего излучения В СИ за единицу ак тивности принимается беккерель (Бк). Он равен активности ра дионуклида в источнике ионизирующего излучения, в котором за 1 с происходит один акт распада. Прежняя единица кюри (Ки) – активность 1 г радия, равная 37 млрд распадов в 1 с.

1 Ки = 37 млрд Бк.

Дозы поглощения излучения. Поглощенная доза излуче ния D – средняя энергия излучения Е, переданного массе m об лучаемого вещества: D = Е/m. Ее единица измерения: 1 грей (Гй) = 1 Дж/кг.

Повреждения биологической ткани зависят от вида облучае мой ткани и от линейной плотности ионизирующего излучения.

Для -излучения она мала (принята равной 1), для -излучения большая (20). Поэтому было введено понятие эквивалентной дозы.

Эквивалентная доза HT,R – поглощенная доза в ткани, ум ноженная на взвешенный коэффициент WR для данного излуче ния R:

HT,R = WRDT,R, (2.4) где DT,R – средняя поглощенная доза в органе или ткани T. Единица измерения эквивалентной дозы – Зиверт (Зв), равный Дж/кг: 1 Зв = 1 Дж/кг = 100 бэр. Бэр – биологический эквивалент рентгена.

Взвешенные коэффициенты WR для отдельных видов излуче ния:

фотоны, электроны и мюоны любых энергий протоны, кроме протонов отдачи, энергией более 2 МэВ нейтроны энергией менее 10 кэВ и более 20 МэВ от 10 до 100 кэВ и от 2 до 20 МэВ от 100 кэВ до 2 МэВ альфа-частицы, осколки деления, тяжелые ядра Эффективная доза Е – величина, которая используется как мера риска возникновения отдаленных последствий облучения все го тела человека и отдельных его органов. Она представляет сумму произведений эквивалентной дозы в органе HT,R на взвешивающий коэффициент WT для данного органа или ткани и время облучения :

E = WT HT,R. (2.5) На практике за единицу времени могут приниматься час, су тки, год. Когда не определено, то его принимают равным 50 го дам для взрослых и 70 годам для детей.

Взвешивающие коэффициенты WТ для тканей и органов:

гонады 0, костный мозг (красный), толстый кишечник (сигмовидная, прямая, нисходящая часть ободочной кишки), легкие, желудок 0, печень, пищевод, мочевой пузырь, щитовидная железа 0, кожа, клетки костных поверхностей 0, остальное: головной мозг, мышечная ткань, селезенка, почки, надпочечники, поджелудочная и вилочковая железа, матка, тонкий и верхний отдел толстого кишечника 0, Биологическое действие ионизирующих излучений. При чин воздействия облучения на живые организмы две: разрыв моле кулярных связей и изменение химической структуры различных соединений при ионизации живой ткани, что приводит к гибели клеток;

радиолиз воды, составляющей около 70% массы ткани, с образованием свободных радикалов Н* и ОН*, а также сильного окислителя – пероксида водорода Н2О2. Продукты радиолиза весь ма активны. Они вступают в химические реакции с молекулами тканей и, образуя новые соединения, разрушают клетки. Изменение состава отдельных молекул клетки и ее гибель выводит из строя многие сотни и тысячи других молекул погибшей клетки, хотя их излучение не коснулось. В этой огромной, многократной пора жающей способности состоит особенность воздействия ионизи рующего излучения на биологические объекты.

Радиоактивные нуклиды, попавшие в организм с воздухом, пищей, через кожный покров, вызывают изменения в крови, пора жают печень, селезенку, щитовидную железу. Накапливаясь в ко стной ткани, они приводят к ее перерождению, суставным измене ниям и атрофии фалангов. Результат их действия на органы дыха ния – бронхопневмония, рак легкого и бронхов. При воздействии на кожу начинается зуд и жжение, затем выпадение волос, изъязв ление, мокнущие язвы и в итоге – кожный рак. Последствиями об лучения являются лейкемия, злокачественные опухоли, лучевая ка таракта, генетические нарушения (уродство, мертворождения), ус корение старения. Радиоактивные примеси влияют не только на че ловека, но и на растительный и животный мир. Распространяясь по пищевой цепи от растений к животным, радиоактивные вещества с продуктами питания поступают в организм и могут накапливаться в таком количестве, которое способно нанести вред человеку или иному живому организму. Из радионуклидов, попадающих в орга низм при дыхании и с пищей, наиболее опасны весьма активные и долго живущие 90Sr и 137Сs. Стронций, замещая кальций, накапли вается в костях, а цезий накапливается в мускулах, замещая калий.

Острая лучевая болезнь возникает при воздействии на чело века больших доз облучения за короткий промежуток времени. Она имеет три стадии. Первая: доза облучения 1–2 Зв;

исключение об лучения и лечение позволяют полностью восстановить здоровье.

Вторая: доза облучения 2–3 Зв;

сильные боли в области сердца, живота, тошнота, кровотечения из носа, десен;

срок лечения 1,5– месяца. Третья: облучение дозой 3–5 Зв через 3–7 часов приводит к необратимым изменениям в организме и даже к смерти.

Доза более 5 Зв – смертельна.

Нормы радиоактивной безопасности. В России НРБ-96 ус тановлены две категории облучаемых лиц: персонал – лица, посто янно работающие с техногенными источниками ионизирующего из лучения (группа А) или по условиям работы находящиеся в сфере их воздействия (группа Б);

все население, включая персонал вне сферы и условий их работы. Для этих категорий определены раз ные основные дозовые пределы (см. табл. 2.2).

Таблица 2. Основные дозовые пределы Нормируемые Дозовые пределы величины Персонал* Население Эффективная доза За период в 5 лет В среднем 20 мЗв в год В среднем 1 мЗв в год За отдельный год Не более 50 мЗв Не более 5 мЗв Эквивалентная доза За год в хрусталике, 150 мЗв 15 мЗв коже, 500 мЗв 50 мЗв кистях и стопах 500 мЗв 50 мЗв *Нормы для группы А. Для группы Б они в четыре раза меньше.

Защита от облучения. Снижение облучения населения при родными источниками достигается путем установления системы ограничений на облучение населения от отдельных природных ис точников. Так, в эксплуатируемых зданиях объемная среднегодовая эквивалентная равновесная активность изотопов радона в воздухе жилых помещений должна быть не более 200 Бк/м3. Эффективная удельная активность естественных радионуклидов в строительных материалах (песок, цемент, шлаки и др.) не должна превышать при строительстве: зданий – 370 Бк/кг;

дорог в населенных пунктах и производственных сооружений – 740 Бк/кг;

Pages:     || 2 | 3 | 4 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.