Экология как наука

Так, печальную известность приобрела «болезнь минаматы, впервые обнаруженная японскими учеными у людей, употреблявших в пищу рыбу, выловленную в заливе Минамата, в которую бесконтрольно сбрасывали промышленные стоки с техногенной ртутью c заводов химической компании «Тиссо». После того как была доказана связь между «болезнью миномата»- (больные теряли речь, слух, зрение, у них нарушалась координация движения) и отравлением ртутными соединениями было возбуждено судебное дело против компании «Тиссо». Пока шло разбирательство, умерло 60 человек и страдают еще 344 человека.

Качественное истощение пресных вод с каждым годом становится все более серьезной проблемой.

В США около 100 млн. человек пьют воду, которая уже была в употреблении и прошла сложный путь очистки до питьевых стандартов. В начале 1995 года московское радио сообщило о том, что в России 42% населения на питьевые цели использует воду низкого качества.

Сложные проблемы с водоснабжением у населения Швейцарии, Бельгии, Люксенбурга, ФРГ, Франции, Голландии, расположенных в бассейне р.Рейн. Промышленные и бытовые стоки, попадающие в Рейн содержат тысячи тонн металлов и масел. Воды Рейна малопригодны для жизни рыб и орошения полей. По заключению комиссии ООН Рейн пригоден только для судоходства.

Сброс в воды Дуная нескольких тонн ядохимикатов химического концерном «Кремсо» (Австрия), привел к массовой гибели рыбы на участке протяженностью 70 км. Потребовалось более полугода для естественной очистки реки.

Органическое загрязнение. Среди вносимых в реки с суши растворимых веществ большое значение для обитателей водной среды имеют не только минеральные, биогенные элементы, но и органические остатки. Вынос в гидросферу органического вещества оценивается 300-380 млн.т\год. Сточные воды, содержащие суспензии органического происхождения или растворенное органическое вещество, пагубно влияют на состояние водоемов. Осаждаясь суспензии заливают дно и задерживают развитие или полностью прекращают жизнедеятельность донных микроорганизмов, участвующих в процессе самоочищения вод. При гниении донных осадков могут образовываться вредные соединения и отравляющие вещества, такие как сероводород, которые приводят к полному загрязнению воды в реке. Наличие суспензий затрудняет также проникновение света на глубину и замедляет процессы фотосинтеза. Информация о содержании некоторых органических веществ в промышленных сточных водах представлена ниже:

Загрязняющие вещества Количество в мировом

стоке, млн.т/год

1. Нефтепродукты - 26,563

2. Фенолы - 0,460

3. отходы производства

синтетических волокон - 5,500

4. Растительные

органические остатки - 0,170

5 Всего - 33,273.

Значительных размеров достигает концентрация загрязнений дождевых сточных вод - ливневых и талых. Текущие по улицам дождевые стоки бывают более ядовитыми, чем в сточных трубах промышленных предприятий. Попадая через канализационную трубу в открытые водоемы, эти стоки отравляют природные воды. Дождевые воды, стекающие с городских свалок, несут в себе больше химических загрязнений, чем хозяйственно-бытовые.

Физическое загрязнение. Связано со сбросом тепла в воду. Это приводит к потрясению всего биоценоза водоема. Источником теплового загрязнения служат подогретые сбросные воды теплоэлектростанций и промышленности. Повышение температуры природных вод изменяет естественные условия для водных организмов, снижает количество растворенного кислорода, изменяет скорость обмена веществ. Многие обитатели рек и озер или водохранилищ гибнут, развитие других подавляется.

К физическому относится также радиоактивное загрязнение вод, попадание в водные системы различных взвесей, что приводит к изменению прозрачности воды. Неприятный запах, вкус воды также относиться к физическому загрязнению, однако причины их могут быть самыми различными.

ЛЕКЦИЯ 6

Загрязнение Мирового океана. Нефть и нефтепродукты как загрязнители Мирового океана. Пути попадания загрязнителей окружающей среды в Мировой океан

Скорости поступления загрязняющих веществ в Мировой океан в последнее время резко возросли, Ежегодно в океан сбрасывается до 300 млрд. куб.м сточных вод, 90% которых не подвергается предварительной очистке. Морские экосистемы подвергаются все большему антропогенному воздействию посредством химических токсикантов, которые аккумулируясь гидробионтами по трофической цепи. Приводят к гибели консументов даже высоких порядков, в том числе и наземных животных - морских птиц, например. Среди химических токсикантов наибольшую опасность для морской биоты и человека представляют нефтяные углеводороды (особенно бензаперен), пестициды и тяжелые металлы (ртуть, свинец, кадмий и др.).

До определенного предела морские экосистемы могут противостоять вредным воздействиям химических токсикантов, используя накопительную, окислительную, минерализующую функции гидробионтов. Так, например, двустворчатые моллюски способны аккумулировать один из самых токсических пестицидов - ДДТ и при благоприятных условиях выводить его из организма. ДДТ, как известно, запрещен в России, США и некоторых др. странах, тем не менее он поступает в Мировой океан в значительном количестве. Ученые доказали существование в водах Мирового океана интенсивных процессов биотрансформации опасного загрязнителя - бенз(а)пирена, благодоря наличию в открытых и полузакрытых акваториях гетеротрофной микрофлоры. Установлено также, что микроорганизмы водоемов и донных отложений обладают достаточно развитым механизмом устойчивости к тяжелым металлам, в частности, они способны продуцировать сероводород, внеклеточные экзополимеры и др. вещества, которые взаимодействуя с тяжелыми металлами, переводят их в менее токсические формы.

В то же время в океан продолжают поступают все новые и новые токсические загрязняющие вещества. Все более острый характер приобретают проблемы эвтрофирования и микробиологического загрязнения прибрежных зон океана. В связи с этим важное значение имеет определение допустимого антропогенного давления на морские экосистемы, изучение их ассимимяционной емкости как интегральной характеристики способности биогеоценоза к динамическому накоплению и удалению загрязняющих веществ.

Человек - дитя Природы, вся его жизнь происходит по ее законам и правилам. Но при этом нельзя не отметить все увеличивающееся негативное воздействие его хозяйственной деятельности на окружающую среду. Изменения происходят во все возрастающих масштабах в результате вырубки лесов, распашки обширных площадей, гидротехнических мероприятий, влияющих на речной сток и режим грунтовых вод, забора большого количества речных, подземных и озерных вод и в особенности их загрязнения. Соответственно с этим меняется жидкий, газообразный и твердый сток в моря и океаны. Морские воды загрязняются в результате захоронения различных отходов, выброса мусора и нечистот с кораблей и, к сожалению, частых аварий. В Тихий океан ежегодно сбрасывается около 9 млн.т. отходов, в воды Атлантики - свыше 30 млн.т. Океаны и моря загрязняются такими вредными для них веществами как нефть, тяжелые металлы, пестициды, радиоизотопы.

В марте 1995 года в Калифорнийском заливе были обнаружены трупы 324 дельфинов и 8 китов. По мнению специалистов, главной причиной трагедии стало воздействие именно этих веществ.

Газообразные токсические вещества (окись углерода, двуокись серы) поступают в морскую воду из атмосферы. По подсчетам Калифорнийского технологического Института, в Мировой океан с дождями ежегодно осаждается 50 тыс. т свинца, попадающего в воздух с выхлопными газами автомобилей. В городах близ береговой линии в морской воде нередко обнаруживается патогенная микрофлора. Степень загрязненности постоянно растет.

Способность воды к самоочищению порой оказывается недостаточной, чтобы справиться с постоянно увеличивающимся количеством сбрасываемых отходов. Под влиянием течений загрязнения перемешиваются между собой и очень быстро распространяются, оказывая вредное воздействие на зоны, богатые животными и растительностью, нанося серьезный ущерб состоянию морских экосистем.

К числу наиболее вредных химических загрязнителей относятся нефть и нефтепродукты. Ежегодно в океан попадает более 10 млн.т нефти. Загрязняют поверхность танкеры, утечка сырья при бурении.

В период 1973-1984 гг. в США Институтом охраны окружающей среды и энергетики отмечено 12 тыс. случаев загрязнения вод нефтью. Нанесенный ущерб огромен. Например, последствия в связи с гибелью в 1995 году теплохода «Дота» у Керченского пролива в Азовском море оценивается в 7млн.долларов.

Обеспокоенность общественности нефтяным загрязнением обусловлено неуклонным ростом экономических потерь в рыболовстве, туризме и др. сферах деятельности. Только 1 т нефти способна покрыть 12 куб.м поверхности моря. А нефтяная пленка изменяет все физико-химические процессы: повышается температура поверхностного слоя воды, ухудшается газообмен, рыба уходит или погибает. Меняются гидробиологические условия в океане, оказывается влияние на баланс кислорода в атмосфере, а значит непосредственно на климат. Уменьшается первичная продукция океана - фитопланктон- своеобразный пищевой фундамент всей его жизни.

Очень ядовиты растворимые компоненты нефти. Они нередко становятся причиной гибели рыбы, морских птиц. Если оплодотворенную икру рыбы поместить в аквариум с весьма незначительной концентрацией нефтепродуктов, то большинство зародышей погибнет, а многие из уцелевших окажутся уродами. А ведь именно на поверхности, куда попадают эти ядовитые вещества, развивается богатейшее сообщество разнообразнейших организмов - нейстон (совокупность организмов, обитающих в верхних 5-10 см водной толщи).

Концентрация нефтепродуктов в различных районах Мирового океана колеблется в широких пределах:

Тихий океан - 1-200 мкг/л; Атлантический океан - 1-160 мкг/л; Северное море - 0-950 мкг/л; Балтийское море - 0,8-8мг/л;

Нефтяное загрязнение представляет собой особую опасность для морских экосистем, так как 20-30 % поверхности Мирового окена покрыта нефтяными пленками.

Нефть представляет собой вязкую маслянистую жидкость, имеющую темно-коричневый цвет и обладающую слабой флуоресценцией. Нефть состоит преимущественно из насыщенных алифатичесих и гидроароматических углеводородов. Основные компоненты нефти - углеводороды (до 98%) - подразделяются на 4 класса:

1. Парафины (алкены) - до 90% от общего состава. Легкие парафины обладают максимальной летучестью и растворимостью в воде.

2. Циклопарафины (30-60% от общего состава). Эти соединения очень устойчивы и плохо поддаются биоразложению.

3. Ароматические углеводороды (20-40% от общего состава)

4. Олефины (алкены)- (до 10% от общего состава)

Нефть и нефтепродукты являются наиболее распространенными загрязняющими веществами в Мировом океане. К началу 80- х годов в океан ежегодно поступало около 16 млн. т нефти, что составляло 0.23% мировой добычи. Наибольшие потери нефти связаны с ее транспортировкой из районов добычи. Аварийные ситуации, слив за борт танкерами промывочных и балластных вод - все это обуславливает присутствие постоянных полей загрязнения на трассах морских путей. За 1962 -1979 годы в результате аварий в морскую среду поступило около 2 млн. т нефти. За 30 лет, начиная с 1964 года, пробурено около 2 тыс. скважин в Мировом океане, из них только в Северном море тысяча, и 350 промышленных скважин оборудовано. Из-за незначительных утечек ежегодно теряется 0.1 млн. т нефти. Со стоками промышленности ежегодно попадают в морскую среду 0,5 млн.т нефти, где она сначала растекается в виде пленки, образуя слои различного объема.

Пропускание света тонкими пленками сырой нефти составляет 10-11% (280нм), 60-70% (400нм). Пленка толщиной 30-40 мкм полностью поглощает инфракрасное излучение. Смешиваясь с водой нефть образует эмульсию двух типов: прямую -«нефть в воде» и обратную -«вода в нефти». Прямые эмульсии, составленные капельками нефти диаметром до 0,5мкм, менее устойчивы и характерны для видов нефти, содержащих поверхностно-активные вещества. При удалении летучих фракций нефть образует вязкие обратные эмульсии , которые могут сохраняться на поверхности, переноситься течением, выбрасываться на берег и оседать на дно.

Республика Казахстан относиться к маловодообеспеченным районам. Потребности населения в питьевой воде удовлетворяются как за счет стоков рек, так и за счет подземных вод, значительные запасы которых имеются почти во всех областях. Главным источником, питающим реки Казахстана являются ледники, площадь которых ровна почти 2 тыс кв км, а объем - более 98 куб.км или почти равен объему воды в оз. Балхаш. За сезон абляции (с июля до середины сентября) толщина ледников в среднем уменьшается на 3 м, когда лето очень жаркое - на 6м. Крупные ледники Казахстана на Джунгарском Алатау (объем 46 куб.км), Илийском Алатау (28), Терскей Алатау (11), казахстанской части Алтая (3,5) и Таласском Алатау (2,3). В Казахстане более 8 тыс. рек с длиной русла каждой их них больше 10 км. К важнейшим рекам можно отнести Урал, Иртыш, Сырдарью, Есиль, Уил, Тобол, Сагиз, Жем, Большой и Малый Узень, Торгай, Иргиз, Нуру, Арысь, Талас, Чу, Каратал, Или, Аксу и др. На реках Большая и Малая Алматинка, Каратал, Иссык берущих начало в горах часто повторяются селевые потоки.

В Республике 48232 озера площадью более 1 гектара каждая. Средняя глубина от 1до 8м. Есть более глубоководные, как, например, оз.Алакуль глубиной до 45 м, Большое Чебачье - 37м, Шортандинское -31м, Маркокольское - 27м и Балхаш до 26м.

Самое большое среди озер -Балхаш, длина которого 605 км, ширина до 74 км, объем воды д 112 кум. Км. На втором месте оз Алакуль длиной 104 км , шириной 52 км, объем воды 56, 6 куб.км. Общий объем воды в озерах Казахстака 190 куб.км, из них пресные воды (содержащие соли до 1 г\л) около 20 куб.км.

В Казахстане 2 моря. Аральское - было длиной 428 и шириной 235 км с объемом воды 1000 куб. км. Самое глубокое место было 67 м. Что осталось от Арала сейчас вы уже знаете.

Каспийское море в пределах Казахстана имеет длину 2430 км, самое глубокое место 1025 м. Здесь встречаются около 500 видов растений и 854 вида рыб и др. морских животных. Растения в основном -сине-зеленые водоросли. В последнее время появились красные и темно-коричневые виды водорослей. Из животного мира встречаются осетровые

Мировой океан на службе человека. Экологические области и сообщества организмов в океане. Охрана морей и океанов

Как известно, на земле три основных океана - Тихий, Атлантический и Индийский, но антарктические и арктические воды тоже считаются океанами. Тихий океан по своей площади превосходит все материки вместе взятые. Эти пять океанов представляют собой не обособленные водные бассейны, а единый океанический массив с условными границами. Поэтому нашу планету вполне можно было бы назвать Океанией, так как площадь, занимаемая водой, в 2.5 раза превышает территорию суши. Океанические воды покрывают почти 3\4 поверхности земного шара слоем толщиной около 4000м, составляя 97% гидросферы, тогда как воды суши содержат всего 1% а в ледниках сковано только 2%.

Мировой океан, являясь совокупностью всех морей и океанов Земли, оказывает огромное влияние на жизнедеятельность планеты. Огромная масса вод океана формирует ее климат, служит источником атмосферных осадков. Из него поступает более половины кислорода, и он же регулирует содержание углекислоты в атмосфере, так как способен поглощать ее избыток.

На дне Мирового океана происходит накопление и преобразование огромной массы минеральных и органических веществ, поэтому геологические и геохимические процессы, протекающие в океанах и морях, оказывают очень сильное влияние на всю земную кору. Именно Океан стал колыбелью жизни на Земле; сейчас в нем обитает около 4/5 всех живых существ планеты.

В наше время, в «эпоху глобальных проблем», Мировой океан играет играет все большую роль в жизни человека, являясь огромной кладовой минеральных, энергетических, растительных и животных богатств, которые при рациональном их потреблении и искусственном воспроизводстве могут считаться практически неисчерпаемыми. Океан способен решить одну из самых остро стоящих задач: необходимость обеспечения быстро растущего населения продуктами питания и сырьем для развивающейся промышленности, а также ликвидировать опасность энергетического кризиса, недостатка пресной воды.

Основной ресурс Мирового океана - морская вода. Она содержит 75 химических элементов, среди которых такие важные, как уран, калий, бром, магний. И хотя основной продукт морской воды все еще поваренная соль - 33% от мировой добычи, - но уже добывают магний и бром, давно запатентованы методы получения целого ряда металлов, среди них и необходимые промышленности медь и серебро, запасы которых на суше неуклонно истощаются, тогда как в океанских водах их содержится до 0.5 млрд.т

В связи с развитием ядерной энергетики существуют неплохие перспективы для добычи урана и дейтерия из вод Мирового океана, тем более что запасы урановых руд на земле уменьшаются, а в Мировом океане его 10 млрд.т. Дейтерий вообще практически неисчерпаем - на каждые 5000 атомов обычного водорода приходится один атом тяжелого.

Помимо выделения химических элементов, морская вода может быть использована для получения необходимой человеку пресной воды. Сейчас имеется в наличии много промышленных методов опреснения: применяются химические реакции при которых, примеси удаляются из воды; соленую воду пропускают через специальные фильтры; наконец производится обычное кипячение. Но опреснение не единственная возможность получения пригодной для питья воды. Существуют донные источники, которые все чаще обнаруживаются на континентальном шельфе, т.е. в областях материковой отмели, прилегающей к берегам суши и имеющей одинаковые с ней геологическое строение. Один из таких источников, расположенный у берегов Франции, - в Нормандии, имеет такое количество воды, что его называют подземной рекой.

Минеральные ресурсы Мирового океана, представлены не только морской водой, но и тем, что «под водой». Недра океана, его дно богаты залежами полезных ископаемых. На континентальном шельфе находятся прибрежные рассыпные месторождения- золото, платина; встречаются и драгоценные камни - рубины, алмазы, сапфиры, изумруды. Например, вблизи Намибии идут подводные разработки алмазного гравия уже с 1962 года. На шельфе и частично материковом склоне Мирового океана расположены большие месторождения фосфоритов, которые можно использовать в качестве удобрений, причем запасов хватит на ближайшие несколько сот лет.

Самый же интересный вид минерального сырья Мирового океана- это знаменитые железомарганцевые конкреции, которыми покрыты громадные по площади подводные равнины. Конкреции представляют собой своеобразный коктейль из металлов: туда входят медь, кобальт, никель, титан, ванадий, но конечно же, больше всего железа и марганца. Места их расположения общеизвестны, но результаты промышленной разработки пока еще очень скромны.

Зато полным ходом идет разведка и добыча океанских нефти и газа на прибрежном шельфе, доля морской добычи приближается к 1\3 мировой добычи этих энергоносителей. В особо крупных размерах идет разработка месторождений в Персидском, Венесуэльском, Мексиканском заливах, в Северном море; нефтяные платформы протянулись вдоль берегов Калифорнии, Индонезии, в Средиземном и Каспийском морях. Мексиканский залив, кроме того, знаменит открытым во время разведки нефти месторождением серы, которая вытапливается со дна с помощью перегретой воды.

Другой, пока еще не тронутой, кладовой океана являются глубинные расщелины, где образуется новое дно. Так например, горячие (свыше 60 С) и тяжелые рассолы Красноморской впадины содержат огромные запасы серебра, олова, меди, железа и др. металлов. Все более важное значение придается добыче металлов на мелководье. Вокруг Японии, к примеру, отсасывают по трубам подводные железосодержащие пески, страна добывает из морских шахт около 20% угля - над залежами породы сооружают искусственный остров и бурят ствол, вскрывающий угольные пласты.

Многие природные процессы, происходящие в Мировом океане -движение, температурный режим вод, -являются неистощимыми энергетическими ресурсами. Например, суммарная мощность приливной энергии Мирового океана оценивается от 1до 6 млрд. кВт*ч. Это свойство приливов и отливов использовалось во Франции еще в средние века: в ХХ11 веке строились мельницы, колеса которых приводились в движение приливной волной. В наши дни во Франции существуют современные электростанции, использующие тот же принцип работы: вращение турбин при приливе происходит в одну сторону, а при отливе в другую.

Главное богатство Мирового океана - его биологические ресурсы (рыба, зоо- и фитопланктон и др.). Биомасса океана насчитывает 150 тыс. видов животных и 10 тыс. водорослей, а ее общий объем оценивается в 35 млрд.т., чего вполне может хватить, чтобы прокормить 30 млрд (!) человек. Вылавливая ежегодно 85-50млн. т рыбы (на нее приходится 85% от используемой морской продукции), моллюсков, водорослей, человечество обеспечивает около 20% своих потребностей в белках животного происхождения. Живой мир океана - это огромные пищевые ресурсы, которые могут быть неистощимы при правильном и бережном их использовании. Максимальный вылов рыбы не должен превышать 150-180 млн.т в год: превзойти этот предел очень опасно, т.к. произойдут невосполнимые потери. Многие сорта рыб, китов, ластоногих вследствие неумеренной охоты почти исчезли из океанских вод, и не известно восстановится ли когда-нибудь их поголовье. Но население Земли растет бурными темпами, все больше нуждаясь в морской продукции.

Существует несколько путей поднятия ее продуктивности. Первый - изымать из океана не только рыбу, но и зоопланктон, часть которого - антарктический криль- уже пошла в пищу. Можно без всякого ущерба для океана вылавливать его в гораздо больших количествах, чем вся добываемая в настоящее время рыба. Второй путь- использование биологических ресурсов открытого океана. Биологическая продуктивность Океана особенно велика в области подъема глубинных вод. Один из таких апвеллингов, расположенный у побережья Перу, дает 15% мировой добычи рыбы, хотя площадь его составляет не более 0.02% от всей поверхности Мирового океана. Наконец, третий путь - культурное разведение живых организмов, в основном в прибрежных зонах. Все эти три способа успешно опробованы во многих странах мира, но локально, поэтому продолжается губительный по своим объемам вылов рыбы. В конце ХХ века наиболее продуктивными акваториями считались Норвежское, Берингово, Японское море.

Океан, будучи кладовой разнообразнейших ресурсов, также является бесплатной и удобной дорогой, которые связывает удаленные друг от друга континенты и острова. Морской транспорт обеспечивает почти 80% перевозок между странами. Мировой океан может служить переработчиком отходов. Благодаря химическому и физическому воздействию своих вод и биологическому влиянию живых организмов он рассеивает и очищает поступающие в него отходы, сохраняя относительное равновесие экосистем Земли. В течении 3 тыс. лет в результате круговорота воды в природе вся вода Мирового океана обновляется.

Охрана морей и океанов.

Наиболее серьезной проблемой морей и океанов в нашем столетии является загрязнение нефтью, последствия которого губительны для всей жизни на Земле. Поэтому, начиная с первой Лондонской международной конференции (1954г.), все последующие были посвящены принятию конвенций по охране морской среды от загрязнения нефтью и по охране живых ресурсов моря. Были приняты документы по предотвращению загрязнения с судов. Каждое судно должно иметь сертификат - свидетельство об исправности судна, которая проверяется инспекцией при заходе в порт. Запрещен слив нефтесодержащих вод с танкеров: для очистки и обеззараживания судовых сточных вод созданы электрохимические установки; разработан эмульсионный метод очистки морских танкеров с помощью ПАВ. Совершенствуются конструкции морских судов: многие танкеры имеют двойное дно.

Для систематической очистки акваторий от случайных разливов применяются плавучие нефтесборщики и боковые заграждения. В целях предотвращения растекания нефти также используются физико-химические методы. Создан препарат пенопластовой группы, который при соприкосновении с нефтяным пятном полностью его обволакивает. Кроме того, существуют сорбирующие вещества на основе растительных, минеральных и синтетических компонентов. После сбора нефти на поверхности воды всегда остается тонкая пленка, которую удаляют путем разбрызгивания разлагающих ее химических препаратов (не всегда биологически безопасны).

Корпарация «Кансай санге» (Япония) выпустила реактив, основной компонент которого- специально обработанная рисовая шелуха, которая всасывает в себя выброс и превращается в густую массу, которую можно собрать в простую сеть. Способ, продемонстрированный американскими учеными: под нефтяную пленку опускается керамическая пластинка с подсоединенной к ней акустической пластинкой. Под действием вибрации нефть сначала скапливается толстым слоем, а затем смешивается с водой и начинает фонтанировать. Электрический ток, подведенный к пластинке, поджигает фонтан и нефть полностью сгорает.

С 1993 г. запрещен сброс жидких радиоактивных отходов. В 1996 г. представители японских, американских и российских фирм подписали контракт на создание установки по переработке ЖРО.

Несмотря на все выше сказанное, основная задача, которую необходимо решать всем странам сообща - это предотвращение загрязнения Мирового океана.

ЛЕКЦИЯ 7

Глобальное загрязнение атмосферы. Газовый состав атмосферы

Земля окружена атмосферой, состоящей из миллиона мельчайших частичек, которая разбивает на миллионы мелких лучей потоки света, идущие от Солнца к Земле. Атмосфера играет примерно такую же роль, как стекло в парнике. Она легко пропускает солнечные лучи, нагревающие земную поверхность, и почти полностью задерживает тепло, идущее от Земли в мировое пространство.

Если бы не было окружающей Землю воздушной оболочки, то ослепительно яркое солнце стояло бы в совершенно безоблачном черном небе и обжигало растрескавшуюся, сухую землю. Ни капли дождя, ни малейшего дуновения ветра.

Атмосфера оказывает влияние и на колебание температуры на Земле. Зимой в Сибири температура опускается иногда до -60 С, а летом часто поднимается до +30 С тепла. Следовательно, в течении года она колеблется в пределах 90С. Но если бы не было воздушной оболочки Земли, то температура одних суток , а не года, менялось на 200 с лишним градусов - днем, под лучами Солнца, стояла бы сильнейшая жара, (выше +100 С), ночью жесточайший мороз (ниже -100 С). Иначе говоря не было бы никакой жизни на Земле.

Первичная атмосфера Земли состояла из водорода, метана, аммиака, водяных паров и инертных газов - гелия, неона и др. К моменту появления жизни на Земле была вторичная атмосфера, состоящая из тех же газов с добавлением к ним сероводорода и углекислого газа, выделившихся из недр земли и растений.

Первичные микроорганизмы постепенно сокращали водород, метан, аммиак, сероводород. Так, серные бактерии окисляли сероводород вулканического происхождения , водородные бактерии - молекулярный атмосферный водород, пурпурные, зеленые и сине-зеленые водоросли усваивали углекислый газ и выделяли в атмосферу кислород.

Изменение газового состава атмосферы и постепенное ее наполнение кислородом положило начало разделению единого ствола жизни на две ветви - растения и животные.

Нынешний газовый состав атмосферы является результатом многолетней эволюции биосферы, организмы приспособились к нему, и любое изменение соотношения газов сказывается на условиях их жизни.

Естественный атмосферный воздух имеет следующий газовый состав (в процентах): азота - 78.08; кислорода - 20.95; аргона - 0.93; углекислого газа - 0.03; неона, гелия, ксенона, родона и др. - 0.02. Кроме того в воздухе содержатся во взвешенном состоянии частицы пыли и водяные пары.

Пыль (естественная) нужна для нормального развития природных процессов, протекающих в атмосфере. Аэрозоли служат ядрами конденсации водяных паров, поглощают солнечную радиацию, уменьшают земное излучение, этим защищают поверхность Земли от чрезмерного прогревания и препятствуют излишней теплоотдаче. Пыль, нагреваясь поднимается вверх и способствует перемещению воздуха.

Человек не может обойтись без воздуха. Без пищи он может жить 5 недель, без воды 5 дней, а без воздуха не более 5 минут.

В среднем за сутки человек через свои легкие пропускает около 25 кг или 10-11 тыс. литров воздуха. Воздух нужен животным и растениям. Овце за сутки нужно 20 тыс. литров, лошади - 86 тыс. л. воздуха.

Чистый воздух нужен и промышленности, особенно для производства вакцин, антибиотиков, полупроводников, точных (прецизионных) приборов.

Приведенный выше газовый состав имеют нижние слои атмосферы, а выше 1000 км атмосфера состоит из гелия и выше 2000 км - из водорода.

Самый нижний прилегающий к земле слой атмосферы называется тропосферой, она содержит около 84% атмосферного воздуха и в ней происходят все метеорологические процессы: образование облаков и туманов, ветров и ураганов, выпадение дождя и снега.

Верхняя граница тропосферы проходит на полюсах на высоте 6-8 км, на экваторе -16-17 км.

Выше тропосферы до высоты примерно 55 км простирается стратосфера. В ней на высоте 25-35 км имеется озоновый слой. Значению озонового слоя и его защите будет посвящена отдельная лекция.

На высоте 55-75 км находится мезосфера, где преобладает вертикальное движение воздуха и температура снова падает.

Выше 80 км находится ионосфера примерно до высоты 1000-1200 км. Здесь воздух разряжен и не смотря на высокие скорости отдельных молекул, они не нагревают ни обычный термометр, ни человека.

Самое внешнее ажурное покрывало Земли состоит из протонов и называется протосферой и она постепенно сходит на нет, как бы растворяясь в межпланетном пространстве. Высота протоносферы считается от 1000-1200 до 1500 км.

Строго говоря и протоносфера не есть граница Земли. В околоземном пространстве к нашей планете непосредственно прилегает радиационный пояс (от 1500 до 60 000 км). Он состоит из протонов и электронов, выброшенных Солнцем и захваченных магнитным полем нашей планеты.

Материальным продолжением Земли может считаться ее гравитационное поле. Тяготение Земли приходится учитывать по крайней мере в нескольких десятках километрах от нее, когда космические аппараты отправляются в очередной полет.

Атмосферный воздух относиться к неисчерпаемым природным ресурсам и общая его масса определяется в 500 триллионов т., из них кислорода 105 триллионов тонн. Ежегодное потребление кислорода составляет 10 млрд. т. - это всего 0.01% от общей массы. Однако ныне сложившийся газовый состав атмосферы должен быть сохранен, поскольку все живые организмы приспособились к нему, и создан на Земле наиболее благоприятный биологический режим.

Источники загрязнения атмосферного воздуха.

Загрязнение атмосферного воздуха может быть естественным (природным) и антропогенным.

Естественное загрязнение пылью, водяными парами и др. происходят в результате природных явлений, как-то: извержение вулканов, испарение морской воды, выветривание горных пород, выдувание почвы, лесные и степные пожары и т.д. Так например, устойчивые пассатные ветры от декабря до февраля поднимают в воздух пыль Сахары от 60 до 200 млн. тонн и переносят на тысячи километров.

В 1883 г. при извержении вулкана Кракатау выброшенные частицы держались в воздухе несколько лет и даже достигли берегов Англии.

19.12 1985 г. в 10 час. утра в г. Ашгабаде вдруг стало смеркаться, небо окрасилось в оранжевый цвет, а через полчаса в домах пришлось включить свет , потому что город окутала сплошная темнота. В 13 часов небр просветлело, но 15 час. снова все повторилось. Над гордом прошел ураган, который нес около 170 тыс т. пыли.

При испарении морской воды в атмосферу попадают соли, при пожарах - много золы и пыли. В воздухе находятся и пыли органического происхождения (бактерии, плесневые грибки и др. частицы растительного и животного мира).

К антропогенным источникам загрязнения относятся промышленные и транспортные предприятия, сельскохозяйственные и строительные организации, коммунально-бытовые объекты.

Ориентировочное распределение количества пыли, образуемой в атмосфере Земли в течении года, по источникам загрязнения следующее:

Таблица 1

Источники пылеобразования	Количество, млн.т
Морские соли	550
Почвенная пыль	250
Вулканические выбросы	80
Пожарные выбросы	70
При сжигании топлива	30
Выбросы промышленности	15
Выбросы сельского хозяйства	5

Как видно из этих данных, доля антропогенных загрязнений составляют всего 5%, однако их химический состав очень сложен и опасен для человека и природы. В общем выбросе промышленности и транспорта удельный вес угарного газа (СО) составляет 31.9%, сернистого газа (SO2) -27, окислы азота (NO2) -1.1%, взвешенные твердые частицы -28.3%

Из промышленных отраслей основными загрязнителями являются тепловые электростанции, черная и цветная металлургия, а также нефтепереработка. Химический состав всех видов топлива включает в себя углерод, водород, серу, азот и кислород, которые в процессе горения образуют вредные для человека и среды вредные газы и пыли.

Металлургические предприятия выделяют взвеси металлов и их соединения: меди, железа, свинца, цинка, олова, никеля, плавикового шпата, криолита, глинозема, Угля, сернистого ангидрида и др. Предприятия машиностроения - пыли и газы, содержащие двуокиси кремния, (литейные цеха), сажу (кузнечные цеха), свинец, окись углерода. Предприятия нефтепереработки выделяют сероводород. Предприятия химической промышленности выделяют окислы азота.

Автомобильный транспорт в мировом балансе загрязнителей занимает особое место. В мире насчитывается несколько сот миллионов автомобилей, которые сжигают огромное количество нефтеродуктов, существенно загрязняя атмосферный воздух, прежде всего в крупных городах. Ежегодно автомашины выбрасывают в атмосферу около 280 млн. т окиси углерода, 56 млн.т углеводородов, 28 млн.т. окислов азота и 3 млн. т особенно опасных соединений свинца (в случае применения этилированного бензина).

Основные загрязнители

Оксид углерода- СО. Бесцветный и не имеющий запаха газ. Воздействует на нервную и сердечно-сосудистую системы, вызывает удушье. Представляет опасность при содержании более 200-220 мг\куб.м.

Оксиды азота - NO, NO2, N2O5, N2O4. В атмосферу выбрасывается в основном диоксид азота - NO2 - бесцветный, не имеющий запаха ядовитый газ (воздействует на органы дыхания). Особенно опасны в гордах, где они взаимодействуя с углеводами выхлопных газов, образуют фотохимический туман - смог. При контакте с влажной поверхностью слизистой оболочки образуют кислоты HNO3 и HNO2 которые приводят к отеку легких.

Диоксид серы - SO2. Бесцветный газ с острым запахом, уже в малых концентрациях (20-30мг\куб.м) создает неприятный привкус во рту, раздражает слизистые оболочки глаз и дыхательные пути.

Углеводороды (пары бензина, пентан, гексан и др.). Обладают наркотическим действием, в малых концентрациях вызывают головную боль, головокружение и т.д.

Альдегиды. При длительном воздействии на человека вызывают раздражение слизистых оболочек глаз и дыхательных путей.

Соединения свинца. В организм через органы дыхания поступает 50% соединений свинца, под действием которого нарушается синтез гемоглобина, возникают заболевания дыхательных путей, мочеполовых органов, нервной системы. В крупных городах содержание свинца в атмосфере достигает 5-38 мкм\ куб.м, что превышает естественный фон в 10 (4) раз.

Атмосферная пыль. В атмосфере постоянно присутствует пыль различного происхождения и химического состава. При неполном сгорании топлива образуется сажа (на 90-95% состоит из углерода), обладающая большой адсорбционной способностью по отношению к тяжелым углеводородам и в том числе к бенз(а)пирену, что делает ее весьма опасной для здоровья человека.

Естественный атмосферный воздух имеет следующий газовый состав (в процентах): азота - 78.08; кислорода - 20.95; аргона - 0.93; углекислого газа - 0.03; неона, гелия, ксенона, родона и др. - 0.02. Кроме того в воздухе содержатся во взвешенном состоянии частицы пыли и водяные пары.

ЛЕКЦИЯ 8

Парниковый эффект. Нарушение озонового слоя. Защита озонового слоя. Стандарты по охране атмосферного воздуха

В настоящее время наблюдаемое изменение климата, которое выражается в постепенном повышении среднегодовой температуры, начиная со второй половины прошлого века, большинство ученых связывают с накоплением в атмосфере так называемых «парниковых газов» - диоксида углерода (СО2), метана (СН4), хлорфторуглеродов (фреонов), озона (О3), оксидов азота и др.

Парниковые газы, и в первую очередь СО2 препятствует длинноволновому тепловому излучению с поверхности Земли. Атмосфера, насыщенная парниковыми газами, действует как крыша теплицы. Она, с одной стороны, пропускает внутрь большую часть солнечного излучения, с другой - почти не пропускает наружу тепло, переизлучаемое Землей.

В связи с сжиганием человеком все большего количества ископаемого топлива: нефти, газа, угля и др. (ежегодно более 9 млрд.т условного топлива) - концентрация СО2 в атмосфере постоянно увеличивается. За счет выбросов в атмосферу при промышленном производстве и в быту растет содержание фреонов (хлорфторуглеродов). На 1-1.5% в год увеличивается содержание метана (выбросы из подземных горных выработок, сжигание биомассы, выделения крупным рогатым скотом и др.). В меньшей степени растет содержание в атмосфере и оксида азота (на 0.3% ежегодно).

Следствием увеличения концентрации этих газов, создающих «парниковый эффект» является рост средней глобальной температуры воздуха у земной поверхности. За последние 100 лет наиболее теплыми были 1980, 1981, 1983, 1987 и 1988 гг. В 1988 году среднегодовая температура оказалась на 0.4 С выше, чем в 1950-1980гг. Расчеты некоторых ученых показывают, что в 2005 г. она была на 1.3 С больше, чем в 1950-1980 гг. В докладе, подготовленной под эгидой ООН международной группой по проблемам климатических изменений, утверждается, что к 2100 г. температура на Земле увеличится на 2-4 градуса. Масштабы потепления за этот относительно короткий срок будут сопоставимы с потеплением, произошедшим на Земле после ледникового периода, а значит, экологические последствия могут быть катастрофическими. В первую очередь это связано с предполагаемым повышением уровня Мирового океана, вследствие таяния полярных льдов, сокращения площадей горного оледенения и т. д. Моделируя экологические последствия повышения уровня океана всего лишь на 0.5-2 м к концу ХХ1 века, ученые установили, что это неизбежно приведет к нарушению климатического равновесия, затоплению приморских равнин в более чем 30 странах, деградации многолетнемерзлых пород, заболачиванию обширных территорий и к др. неблагоприятным последствиям.

Однако ряд ученых видят в предполагаемом глобальном потеплении и положительные экологические последствия (Вронский, 1993). Повышение концентрации СО2 в атмосфере и связанное с ним увеличение фотосинтеза, а также возрастание увлажнения климата, могут по их мнению, привести к увеличению продуктивности как естественных фитоценозов (лесов, лугов, саванн и др.), так и агроценозов (культурных растений, садов, виноградников и др.).

По мнению академика К.Я. Кондратьева, важнейшим фактором антропогенного воздействия на глобальный климат является деградация биосферы, а следовательно, в первую очередь необходимо заботиться о сохранении биосферы как основного фактора глобальной экологической безопасности. Человек нарушил на 60% суши нормальное функционирование естественных сообществ организмов. В результате из биогенного круговорота веществ изъята значительная их масса, которая ранее затрачивалась биотой на стабилизацию климатических условий. На фоне постоянного сокращения площадей с ненарушенными сообществами деградированная, резко снизившая свою ассимилирующую емкость, биосфера, становится важнейшим источником повышенного выброса в атмосферу диоксида углерода и др. парниковых газов.

На международной конференции в Торонто (Канада) в 1985 г. перед энергетикой всего мира была поставлена задача сократить к 2005 г. на 20% промышленные выбросы углерода в атмосферу. Но очевидно, что ощутимый экологические эффект может быть получен лишь при сочетании этих мер с глобальным направлением экологической политики - максимально возможным сохранением сообществ организмов, природных экосистем и всей биосферы Земли.

Рамочная конвенция ООН по сокращению парниковых газов была принята 9 мая 1992 года и ратифицирована 4 мая 1995¬го. Протокол к конвенции был принят в городе Киото 11 октября 1997 года и получил название Киотского протокола по изменению климата. А в марте 99¬го подписан представителем Казахстана в ООН, но он до сих пор не ратифицирован. Основная цель протокола к рамочной конвенции - усилиями всех стран мира стабилизировать концентрацию парниковых газов в атмосфере на том уровне, который бы не приводил к глобальному потеплению. На сегодняшний день 161 страна мира ратифицировала этот протокол. С одной стороны, Казахстан готов поступить также, но с другой -- стоит очень важная проблема. Ведь в этом случае промышленные предприятия должны будут снизить к 2008¬2012 годам выбросы парниковых газов как минимум на 5 процентов по сравнению с уровнем 1990 года. Это значит, что взятые по протоколу обязательства отразятся на хозяйственной деятельности экономики и частных предприятий. Согласно современной модели эволюции климата, и у нас в Казахстане можно ожидать дальнейшего изменения температуры воздуха, что может вызвать смещение природных зон с непредсказуемыми последствиями.

Нарушение озонового слоя.

Озоновый слой (озоносфера), охватывает весь земной шар и располагается на высотах от 10-50 км с максимальной концентрацией озона на высоте 20-25 км. Насыщенность атмосферы озоном постоянно меняется в любой части планеты, достигая максимума весной в приполярной области.

Впервые истощение озонового слоя привлекло внимание широкой общественности в 1985 г., когда над Антарктидой было обнаружено пространство с пониженным (до 50%) содержанием озона, получившее название «озоновой дыры». С тех пор результаты измерений подтверждают повсеместное уменьшение озонового слоя практически на всей планете.

В настоящее время истощение озонового слоя признано всеми как серьезная угроза глобальной экологической безопасности. Снижение концентрации озона ослабляет способность атмосферы защищать все живое на Земле от жесткого ультрафиолетового излучения (УФ радиация). Живые организмы весьма уязвимы для ультрафиолетового излучения, ибо энергии даже одного фотона этих лучей достаточно, чтобы разрушить химические связи в большинстве органических молекул. Не случайно поэтому в районах с пониженным содержанием озона многочисленны солнечные ожоги, наблюдается увеличение заболевания людей раком кожи и др.

Установлено также, что растения под влиянием сильного ультрафиолетового излучения постепенно теряют свою способность к фотосинтезу, а нарушение жизнедеятельности планктона приводит к разрыву трофических цепей биоты экосистем и т. д.

Наука еще до конца не установила, каковы же основные процессы, нарушающие озоновый слой. Предполагается как естественное, так и антропогенное происхождение «озоновых дыр». Последнее, по мнению большинства ученых, более вероятно и связано с повышенным содержанием хлорфторуглеродов (фреонов). Фреоны широко применяются в промышленном производстве и в быту (хладоагрегаты, растворители, распылители, аэрозольные упаковки и др.). Поднимаясь в атмосферу фреоны разлагаются с выделением оксида хлора, губительно действующего на молекулы озона.

По данным международной экологической организации «Гринпис», основным поставщиком хлорфторуглеродов (фреонов) являются США - 30,85%, Япония - 12,42%, Великобритания - 8,62% и Россия - 8,0%. США пробили в озоновом слое «дыру» площадью 7 млн.кв.км, Япония- 3 млн. кв.км, что в семь раз больше, чем площадь самой Японии. В последнее время в США и в ряде западных стран построены заводы по производству новых видов хладоагрегатов (гидрохлорфторуглеродов) с низким потенциалом разрушения озонового слоя.

Согласно протоколу Монреальской конференции (1990г.), пересмотренному затем в Лондоне (1991г.) и Копенгагене (1992г.), предусматривалось снижение выбросов хлорфторуглерода к 1998 г. на 50%. Казахстан присоединился к этому международному соглашению и все организации и предприятия нашей страны обязаны сократить и в последующем полностью прекратить производство и использование озоноразрушающих веществ. Даже если протокол будет выполнен всеми странами, необходимо продолжать решать проблему защиты людей от УФ-радиации, поскольку многие их хлорфторуглеродов могут сохраняться в атмосфере сотни лет.

Стандарты по охране атмосферного воздуха

Рассмотрение основных источников загрязнения воздуха и вредного воздействия загрязнителей на живые организмы показала, что проблема чистого воздуха приобретает особо актуальное значение. Воздух считается чистым, когда содержание пыли не превышает 0.02 мг/куб.м. Обычно в сельской местности в воздухе пыли содержится от 0.05 до 0.1, а в городах от 2.5 до 3 мг\куб.м. К сожалению, в некоторых крупных промышленных центрах этот показатель доходит до 100мг\куб.м.

Атмосферный воздух не имеет государственных границ, загрязненная воздушная масса все время перемещается. Скорость воздуха в горизонтальном направлении в верхних слоях достигает 100-150 км\ч, поэтому загрязнения распространяются на большие расстояния.

Так, например, через западные границы в Россию, Украину и Беларусь ежегодно поступает около 2 млн.т двуокиси серы и около 10 млн.т сульфатов. Вместе с осадками выпадает около 1,4 млн.т серной кислоты. Для нейтрализации на эти поля надо внести 1,5 млн. т технической извести , осуществление которой потребует многомиллиардных затрат.

Общее поступление песка, пыли и солей со дна Аральского моря в атмосферу ежегодно составляет 140 млн.т. Более тяжелые частицы рассеиваются до 800-1000км, а мелкие частицы обнаружены в Беларуси, Литве и в других странах.

К числу организационных мер в Казахстане по обеспечению охраны атмосферного воздуха следует отнести:

1.Введение нормативов предельно допустимых концентраций (ПДК) вредных выбросов по 446 химическим веществам и 33 их комбинациям. Установлены два типа ПДК: максимально разовая и среднесуточная. Максимально разовая ПДК учитывает массовые выбросы вредных веществ залпом, в разовом порядке, вследствие особенностей технологий или аварийных ситуаций. Среднесуточное ПДК учитывает как пиковые, так и наименьшие концентрации атмосферных загрязнений, которые имеют место в течении суток. Они являются среднеарифметической величиной из всех проб, отобранных в разных местах в течении суток.

2.Осуществление принципа зонирования территории населенных пунктов. Все предприятия по вредности выбросов делятся на 5 классов, соответственно устанавливаются разрывы от жилого массива -санитарно-защитные зоны, что нашло отражение в санитарных нормах проектирования промышленных предприятий (СН 245-71).

КлассI-ширина санитарно-защитной зоны 1000м. Это предприятия по производству аммиака, азотной кислоты, азотно-туковых удобрений, концентрированных минер. удобрений, по переработке и добыче нефти, природного газа, свинцовых руд, ртути, мышьяка, марганца, первичной обработке хлопка.

КлассII- ширина с.-з.з. 500м. Это предпр-я по производству мочевины, соды, селитры, пластмасс, кормовых дрожжей, магния, чугуна, свинцовых аккумуляторов, цинка, меди, никеля, предр-я по добыче фосфоритов, апатитов, горючих сланцев, железных руд, а также скотобазы.

КлассIII- ширина с.-з.з. 300м. Это предпр.-я по произв. битума, лака, олифы, пенопласта, фасонного литья, ртути, стекланной ваты, отбельные производства, предпр. по обработке сырых меховых шкур, сырых кож, мойке шерсти, заводы антибиотиков и бойни.

КлассIY- ширина с.-з.з. 100м. Это предпр-я по произв-у битума, мыла, парфюмерии, порошкообразных моющих средств, машин и приборов электротехники, кабеля, котлов, электродов, по добыче соли, по производству камней и бетонных изделий, фарфорофаянсовых и огнеупорных изделий, стекла, тканей, сыроварению и копчению мяса и рыбы, переработке овощей.