Теоретические основы курса "Экология"

Размещено на http://allbest.ru

Теоретические основы курса "Экология"

1. Биосфера и человек

1.1 Основные понятия экологии

Экология - это наука, изучающая взаимоотношения организмов между собой и с окружающей средой. В середине ХХ века экологию стали понимать как науку об экосистемах и биосфере.

Выделяют три основные ветви экологии.

Первая ветвь. Общая экология, или биоэкология, - это изучение взаимоотношений живых систем разных рангов (организмов, популяций, экосистем) со средой и между собой. Эту часть экологии в свою очередь подразделяют на следующие разделы:

· аутэкологию, т. е. изучение закономерности взаимоотношений организмов отдельного вида со средой обитания;

· демэкологию, или экологию популяций

Популяция в экологическом учении - совокупность особей одного вида, более или менее длительно занимающая определённое пространство и воспроизводящая себя в течение большого числа поколений;

· синэкологию, т. е. экологию сообществ;

· экосистемную и биосферную экологию.

Вторая ветвь. Геоэкология - это изучение геосфер, их динамики и взаимодействия, геофизических условий жизни, факторов неживой окружающей среды, действующей на организмы.

Третья ветвь. Прикладная экология - это аспекты инженерной, социальной, экономической охраны среды обитания человека, проблем взаимоотношений природы и общества, экологических принципов охраны природы.

1.2 Структура биосферы

Биосфера (в современном понимании) - своеобразная оболочка Земли, содержащая всю совокупность живых организмов и ту часть вещества планеты, которая находится в непрерывном обмене с этими организмами.

Биосфера охватывает нижнюю часть атмосферы, гидросферу и верхнюю часть литосферы.

Атмосфера - наиболее легкая оболочка Земли, которая граничит с космическим пространством; через атмосферу осуществляется обмен вещества и энергии с космосом. Атмосфера имеет несколько слоёв: тропосфера - нижний слой, примыкающий к поверхности Земли (высота 9-17 км). В нём сосредоточено около 80% газового состава атмосферы и весь водяной пар; стратосфера; ионосфера - там “живое вещество” отсутствует. Преобладающие элементы химического состава атмосферы: N₂(78%), O₂(21%), CO₂ (0,03%).

Гидросфера - водная оболочка Земли. Вследствие высокой подвижности вода проникает повсеместно в различные природные образования, даже наиболее чистые атмосферные воды содержат от 10 до 50 мг/л растворимых веществ. Преобладающие элементы химического состава гидросферы: Na⁺, Mg²⁺, Ca²⁺, Cl^-, S, C. Главной особенностью океанической воды является то, что основные ионы характеризуются постоянным соотношением во всём объёме мирового океана.

Литосфера - внешняя твёрдая оболочка Земли, состоящая из осадочных и магматических пород. В настоящее время земной корой принято считать верхний слой твёрдого тела планеты, расположенный выше сейсмической границы Мохоровичича.

Поверхностный слой литосферы, в котором осуществляется взаимодействие живой материи с минеральной (неорганической), представляет собой почву. Остатки организмов после разложения переходят в гумус. Составными частями почвы служат минералы, органические вещества, живые организмы, вода, газы.

Преобладающие элементы химического состава литосферы: O, Si, Al, Fe, Ca, Mg, Na, K. Ведущую роль выполняет кислород, на долю которого приходится половина массы земной коры и 92% её объёма, однако кислород прочно связан с другими элементами в главных породообразующих минералах [Коробкин, 2003].

Экосистемой называют совокупность продуцентов, консументов и детритофагов, взаимодействующих друг с другом и с окружающей их средой посредством обмена веществом, энергией и информацией таким образом, что эта единая система сохраняет устойчивость в течение продолжительного времени.

Одним из фундаментальных правил, которым подчиняются все экосистемы, является принцип Ле Шателье - Брауна: при внешнем воздействии, выводящем систему из состояния устойчивого равновесия, это равновесие смещается в направлении, при котором эффект внешнего воздействия ослабляется.

По определению В.Н.Сукачева, биогеоценоз - это совокупность однородных природных элементов (атмосферы, горной породы, растительности, животного мира и мира микроорганизмов, почвы и гидрологических условий) на определённом участке поверхности Земли. Контур биогеоценоза устанавливается по границе растительного сообщества (фитоценоза).

Термины "экологическая система" и "биогеоценоз" не являются синонимами. Экосистема - это любая совокупность организмов и среды их обитания, в том числе, например, горшок с цветком, муравейник, аквариум, болото, пилотируемый космический корабль. У перечисленных систем отсутствует ряд признаков из определения Сукачёва, и в первую очередь элемент "гео" - Земля. Биоценозы - это только природные образования. Однако биоценоз в полной мере может рассматриваться как экосистема. Таким образом, понятие "экосистема" шире и полностью охватывает понятие "биогеоценоз", или "биогеоценоз" - это частный случай "экосистемы". Самая крупная природная экосистема на Земле - это биосфера.

Биомы - наиболее крупные наземные экосистемы, соответствующие основным климатическим зонам Земли (пустынные, травянистые, лесные); водные экосистемы - основные экосистемы, существующие в водной сфере (гидросфере). Иногда в литературе встречается близкая, но менее четкая классификация, прежде всего, выделяющая влажные тропические леса, саванны, пустыни, степи, леса умеренного пояса, хвойные (тайгу), тундру [Одум, 1975].

Фотосинтез - химический процесс, идущий в зеленых растениях под действием световой энергии с образованием из двуокиси углерода и воды глюкозы с выделением кислорода как побочного продукта.

Энергетические затраты связаны, прежде всего, с поддержанием метаболических процессов, которые называют тратой на дыхание, меньшая часть идёт на рост, а остальная часть пищи выделяется в виде экскрементов. В конечном итоге вся эта энергия превращается в тепловую и рассеивается в окружающей среде, а на следующий более высокий трофический уровень передаётся не более 10% энергии от предыдущего.

Основой фоpмиpования и функционpования биогеоценозов, а следовательно и экосистем, являются продуценты - pастения и микpооpганизмы, способные производить (пpодуциpовать) из неорганического вещества органическое, используя энергию света или химические реакции. Они выделяют чистую первичную продукцию, обусловленную приростом биомассы, и валовую первичную продукцию, в которую входит общее количество продуцируемой в ходе фотосинтеза органики, включая энергию, израсходованную на жизнедеятельность (например, на дыхание и выделение ароматических веществ).

При этом первичной продуктивностью называют биомассу, а также энергию и летучие биогенные вещества, производимые продуцентами на единице площади за единицу времени.

В отличие от продуцентов, образующих первичную продукцию экосистем, оpганизмы, использующие эту продукцию, получили название гетеpотpофы. Они используют для фоpмиpования своих оpганов готовое органическое вещество других организмов и продукты их жизнедеятельности.

Гетеротрофностью обладают консументы - потpебители живого оpганического вещества, к которым относятся фитофаги и зоофаги. Консументы определяют вторичную биологическую продукцию - биомасса, а также энергия и биогенные летучие вещества, производимые всеми консументами (гетеротрофами) на единице площади за единицу времени.

Фитофаги - травоядные - вторичные аккумулятоpы солнечной энеpгии, пеpвоначально накопленной pастениями.

Зоофаги - хищники, поедающие фитофагов и более мелких хищников.

Пpодуценты, использующие для пpодуциpования оpганического вещества солнечную энеpгию называются автотpофами, а использующие химическую энеpгию - хемотpофами.

Сапpофаги - животные, поедающие тpупы и экскременты.

Связи пpи котоpых одни оpганизмы поедают дpугие оpганизмы или их останки или выделения (экскременты) называются тpофическими. При этом пищевые взаимоотношения между членами экосистемы выражаются через трофические (пищевые) цепи [Одум, 1975].

Жизнь в экосистеме поддерживается благодаря непрекращающемуся прохождению через живое вещество энергии, передаваемой от одного трофического уровня к другому; при этом происходит постоянное превращение энергии из одних форм в другие. Кроме того, при превращениях энергии часть её теряется в виде тепла.

Рассмотрим процесс обмена энергией. Энергию определяют, как способность производить работу. Свойства энергии описываются законами термодинамики.

Первый закон (начало) термодинамики, или закон сохранения энергии, утверждает, что энергия может переходить из одной формы в другую, но она не исчезает и не создаётся заново.

Второй закон (начало) термодинамики, или закон энтропии, утверждает, что в замкнутой системе энтропия может только возрастать.

Применительно к энергии в экосистемах используется следующая формулировка: процессы, связанные с превращениями энергии, могут происходить самопроизвольно только при условии, что энергия переходит из концентрированной формы в рассеянную, то есть деградирует. Мера количества энергии, которая становится недоступной для использования (или мера изменения упорядоченности, которая происходит при деградации энергии), есть энтропия. Чем выше упорядоченность системы, тем меньше ее энтропия.

Таким образом, любая живая система, в том числе и экосистема, поддерживает свою жизнедеятельность благодаря, во-первых, наличию в окружающей среде в избытке даровой энергии (энергия Солнца); во вторых, способности за счёт устройства составляющих её компонентов эту энергию улавливать и концентрировать, а использовав - рассеивать в окружающую среду.

Таким образом, сначала улавливание, а затем концентрирование энергии с переходом от одного трофического уровня к другому обеспечивает повышение упорядоченности, организации живой системы, то есть уменьшение её энтропии.

1.3 Взаимоотношения организма и среды

Среда обитания - это природное окружение живого организма. Важные для жизни организма компоненты окружающей среды, с которыми он неизбежно сталкивается, называются экологическими факторами. Эти факторы могут быть необходимы или вредны для живых существ, способствовать или препятствовать выживанию и размножению.

1.3.1 Типы экологических взаимодействий

Все многообразие взаимоотношений между организмами можно разделить на два основных типа: антагонистические и неантагонистические.

Антагонистические - это такие отношения, при которых организмы двух видов подавляют друг друга или один из них подавляет другой без ущерба для себя. Основные формы этого вида биотических отношений: хищничество, паразитизм и конкуренция.

Хищничество - форма взаимоотношений организмов разных трофических уровней, при которой один вид организмов живёт за счёт другого, поедая его.

Паразитизм - межвидовые взаимоотношения, при которых один вид живёт за счёт другого, поселяясь внутри или на поверхности тела организма - хозяина. экология биосфера потепление

Конкуренция - форма взаимоотношений, при которых организмы одного трофического уровня борются за пищу и другие условия существования, подавляя друг друга.

Основные формы неантагонистических взаимодействий: симбиоз, мутуализм и комменсализм.

Симбиоз (сожительство) - это обоюдовыгодные, но необязательные взаимоотношения разных видов организмов.

Мутуализм (взаимный) - взаимовыгодные и обязательные для роста и выживания отношения организмов разных видов.

Комменсализм (сотрапезник) - взаимоотношения, при которых один из партнеров извлекает выгоду, а другому они безразличны.

1.3.2 Круговорот веществ

Большой круговорот веществ в природе (геологический) обусловлен взаимодействием солнечной энергии с глубинной энергией Земли и перераспределяет вещества между биосферой и более глубокими горизонтами Земли. Некоторое количество веществ может на время выбывать из биологического круговорота (осаждаться на дне океана, морей, выпадать в глубины земной коры). Но большой круговорот - это и круговорот воды между сушей и океаном через атмосферу.

Малый круговорот веществ в биосфере (биогеохимический) совершается лишь в пределах биосферы. Сущность его - в образовании живого вещества из неорганического в процессе фотосинтеза и в превращении органического вещества при разложении вновь в неорганические соединения.

Химические элементы образуют замкнутую систему (цикл), в которой атомы используются многократно. Суть цикла в следующем: химические элементы, поглощённые организмом, впоследствии его покидают, уходя в абиотическую среду, затем, через какое-то время, снова попадают в живой организм и т.д. Такие элементы называют биофильными [Ананьева, 2001].

1.3.3 Экологические факторы

Экологические факторы - движущая сила, причина какого-либо процесса, явления - любой элемент окружающей среды, способный прямо или косвенно влиять на живой организм, хотя бы на одном из этапов его индивидуального развития, называют экологическим фактором.

Экологические факторы среды принято делить на две группы:

1. факторы косной (неживой) природы - абиотические или абиогенные;

2. факторы живой природы - биотические или биогенные.

Абиотические факторы - это совокупность факторов неорганической среды, влияющих на жизнь и распространение организмов. Их делят на физические, химические и эдафические.

Физические факторы - это те, источник которых - физическое состояние или явление (механическое, температурное воздействие и др.), химические происходят от химического состава среды (солёность воды, содержание кислорода и др.), эдафические (почвенные) - это совокупность химических, физических и механических свойств почв и горных пород, оказывающие воздействие как на организмы почвенной биоты, так и на корневую систему растений (влияние влажности, структуры почв, содержания гумуса и т. п. на рост и развитие растений).

Всё живое, окружающее организм в среде обитания, составляет биотическую среду. Биотические факторы - это совокупность влияний жизнедеятельности одних организмов на другие.

Биотические факторы способны влиять на абиотическую среду, создавая микроклимат или микросреду: например, в лесу летом прохладнее и влажнее, а зимой - теплее.

Но микросреда может иметь и абиотическую природу: под снегом, в результате его отепляющего действия, выживают мелкие животные (грызуны), сохраняются всходы озимых злаков.

Антропогенные факторы - факторы, порождённые человеком и воздействующие на окружающую среду (загрязнение, эрозия почв, уничтожение лесов и т. д.).

В начале 70-х годов XX в. американский биолог и эколог Барри Коммонер обобщил системность в экологии в виде четырёх законов. Их соблюдение - обязательное условие любой деятельности человека в природе.

Биотические факторы, воздействующие на растения как первичные продуценты органического вещества, подразделяют на зоогенные и фитогенные.

Живое неотрывно от среды. Среда - одно из основных экологических понятий, которое означает весь спектр окружающих организм элементов и условий в той части пространства, где обитает организм, всё то, среди чего он живёт и с чем непосредственно взаимодействует. При этом организмы, приспособившись к определённому комплексу конкретных условий, в процессе жизнедеятельности сами постепенно изменяют эти условия, т. е. среду своего существования.

Несмотря на многообразие экологических факторов и различную природу их происхождения, существуют некоторые общие правила и закономерности их воздействия на живые организмы.

Для жизни организмов необходимо определённое сочетание условий. Если все условия среды обитания благоприятны, за исключением одного, то именно это условие становится решающим для жизни рассматриваемого организма. Оно ограничивает (лимитирует) развитие организма, поэтому называется лимитирующим фактором.

Первоначально было установлено, что развитие живых организмов ограничивает недостаток какого-либо компонента, например, минеральных солей, влаги, света и т.п. В середине XIX века немецкий химикорганик Юстас Либих в 1840 г. первым экспериментально доказал, что рост растения зависит от того элемента питания, который присутствует в относительно минимальном количестве. Он назвал это явление законом минимума; в честь автора его ещё называют законом Либиха:

Однако, как выяснилось позже, лимитирующим может быть не только недостаток, но и избыток фактора, например, гибель урожая из-за дождей, перенасыщение почвы удобрениями и т.п.

Понятие о том, что наравне с минимумом лимитирующим фактором может быть и максимум, ввёл американский зоолог В. Шелфорд в 1913г., сформулировавший закон толерантности:

Благоприятный диапазон действия экологического фактора называется зоной оптимума (нормальной жизнедеятельности). Чем значительнее отклонение действия фактора от оптимума, тем больше данный фактор угнетает жизнедеятельность популяции. Этот диапазон называется зоной угнетения.

Максимально и минимально переносимые значения фактора - это критические точки, за пределами которых существование организма или популяции уже невозможно. В соответствии с законом толерантности любой избыток вещества или энергии оказывается загрязняющим среду началом.

Виды, для существования которых необходимы строго определенные экологические условия, называют стенобионтными (форель, орхидея), а виды, приспосабливающиеся к экологической обстановке с широким диапазоном изменения параметров, - эврибионтными (мыши, крысы, тараканы).

1.3.4 Состав среды

Состав водной среды. Большая часть поверхности Земли покрыто водой. Распространение и жизнедеятельность организмов в водной среде в значительной степени зависят от её химического состава. Тем не менее, проблемы, связанные с водой, возникают даже у водных организмов.

Состав воздуха. Состав воздуха в современной атмосфере находится в состоянии динамического равновесия, зависящего от жизнедеятельности живых организмов и геохимических явлений глобального масштаба.

Состав почв представляет собой продукт физического, химического и биологического преобразования горных пород, включающей твёрдые, жидкие и газообразные компоненты.

Содержание воды в почве. Общее количество воды, которое может быть удержано почвой, складывается из гравитационной, физически связанной, капиллярной, химически связанной и парообразной воды.

Содержание воздуха в почве. Поры почвы, не занятые водой, заполняет почвенный воздух. Насыщенность воздухом играет важную роль в почвенных процессах. По сравнению с составом атмосферного воздуха из-за дыхания организмов с глубиной уменьшается содержание кислорода (до 10%) и увеличивается концентрация диоксида углерода (достигая 19%).

В процессе исторического развития живые организмы освоили четыре среды обитания. Первая - вода. В воде жизнь зародилась и развивалась многие миллионы лет. Вторая - наземно-воздушная - на суше и в атмосфере возникли и бурно адаптировались к новым условиям растения и животные. Постепенно преобразуя верхний слой суши - литосферы, они создали третью среду обитания - почву, а сами стали четвёртой средой обитания [Акимова, 2001].

1.4 Экология и здоровье человека

1.4.1 Влияние природно-экологических факторов на здоровье человека

Изначально Homo Sapiens был подвержен тем же факторам регуляции и саморегуляции экосистемы, что и весь животный мир. Главными из ограничивающих факторов были гипердинамия и недоедание. Среди причин смертности на первом месте стояли патогенные воздействия природного характера. Особое значение среди них имели инфекционные болезни, отличающиеся, как правило, природной очаговостью.

Суть природной очаговости в том, что возбудители болезней, её переносчики и хранители существуют в данных природных условиях (очагах) вне зависимости от того, обитает здесь человек или нет. Человек может заразиться от диких животных (грызунов, птиц, насекомых и др.), проживая в этой местности постоянно или случайно оказавшись здесь. Природно-очаговые болезни являлись основной причиной гибели людей вплоть до начала ХХ в.

Заболевания, связанные с окружающей человека природной средой, существуют и в настоящее время, хотя с ними ведется постоянная борьба. Это объясняется, в частности, причинами сугубо экологической природы, например, резистентностью носителей возбудителей и самих возбудителей болезней.

Высокая смертность людей от инфекционных болезней обусловила достаточно медленный рост численности населения - первый миллиард жителей на Земле появился лишь в 1860 г. Открытия Пастера и др. в конце XIX в. дали мощный толчок развитию профилактической медицины, что улучшило санитарно-гигиенические условия жизни и привело к резкому снижению заболеваемости природно-очаговыми болезнями, а некоторые из них практически исчезли в ХХ в.

1.4.2 Влияние социально-экологических факторов на здоровье человека

Искусственная среда также требует адаптации к себе, которая происходит через болезни. Причины возникновения болезней в этом случае следующие: гиподинамия, переедание, информационное изобилие, психоэмоциональный стресс. С медико-биологических позиций наибольшее влияние социально-экологические факторы оказывают на следующие тенденции:

Эти тенденции в различной степени характерны практически для всех местообитаний человека, но наиболее рельефно они выступают в условиях городской среды.

Гигиена - наука о здоровом образе жизни. Интенсивно начала развиваться более 100 лет назад благодаря работам Л. Пастера, Р. Коха, И.И. Мечникова и др. Её основная задача - разработка научных основ санитарного надзора, обоснование санитарных мероприятий по оздоровлению населённых пунктов, охрана здоровья детей и подростков, разработка санитарного законодательства, санитарная экспертиза качества пищевых продуктов и предметов бытового обихода.

Важнейшей задачей этой науки является разработка гигиенических нормативов для воздуха населённых мест и промышленных предприятий, воды, продуктов питания и материалов для одежды и обуви человека с целью сохранения его здоровья и предупреждения заболеваний [Агаджанян, 1997].

2. Глобальные экологические проблемы

2.1 Демографическая и продовольственная проблемы

Демографическая проблема - глобальная проблема человечества, связанная с продолжающимся значительным приростом населения Земли, опережающим рост экономического благосостояния, в результате чего обостряются продовольственная и другие проблемы, угрожающие жизни населения в этих странах.

Отрицательное воздействие на окружающую среду оказывают все страны мира: промышленно развитые и аграрные. Влияние первых, в основном, связано с техногенными загрязнениями (проживающие в этих странах от 20 до 25% мирового населения выбрасывают в среду около 80% загрязнений) и порождаемыми ими экологическими проблемами: кислотные дожди, глобальное потепление и т.д.; вторых - с прямым уничтожением природы: сведением лесов, исчерпанием природных ресурсов и т.п.

Демографическая проблема оказывает влияние не только на положение отдельных стран мира, но и влияет на развитие мировой экономики и международных отношений, требует к себе серьезного внимания, как учёных, так и правительств различных государств.

Продовольственная проблема - является одной из наиболее острых, состоящая в нехватке калорийного и рационального питания, которым, по данным ООН, обеспечена лишь 1/3 часть населения Земли (абсолютную нехватку продовольствия по калориям испытывает каждый седьмой житель планеты).

Продовольственная проблема тесно связана с демографической проблемой.

Для решения продовольственной проблемы существует два пути:

1. экстенсивный путь, состоящий в освоении новых сельскохозяйственных и рыбопромысловых угодий и требующий значительных технических затрат и рациональных программ;

2. интенсивный путь, состоящий в повышении продуктивности уже имеющихся угодий путём развития агротехнической культуры, выведения высокоурожайных сортов растений и высокопродуктивных пород домашних животных и птицы, механизации, химизации, мелиорации, развитии аквакультуры и т.п. [Цветкова, 2001].

2.2 Парниковый эффект

Парниковый эффект был обнаружен Жозефом Фурье в 1824 году и впервые был количественно исследован Сванте Аррениусом в 1896 году.

Парниковый эффект - постепенное потепление климата на планете в результате накопления в атмосфере "парниковых газов" (углекислый газ, метан, оксиды азота и др.), которые аналогично покрытию теплицы или закрытым стеклам автомобиля, пропуская солнечные лучи, препятствуют инфракрасному (тепловому) излучению с поверхности Земли.

Явление парникового эффекта позволяет поддерживать на поверхности Земли температуру, при которой возможно возникновение и развитие жизни. Если бы парниковый эффект отсутствовал, средняя температура поверхности земного шара была бы значительно ниже, чем она есть сейчас. Однако при повышении концентрации "парниковых газов" увеличивается непроницаемость атмосферы для инфракрасных лучей, что приводит к повышению температуры Земли, изменению погоды и климата.

Рост концентрации "парниковых газов" связан с хозяйственной деятельностью человека, в первую очередь - сжиганием углеродного ископаемого топлива (нефти, газа, угля и др.), автомобильным транспортом, промышленными процессами, а также сведением лесов - естественных поглотителей углекислого газа из атмосферы.

2.2.1 Глобальное потепление

Вследствие парникового эффекта за последние 100 лет средняя температура поверхности Земли выросла на 0,74°С, причём темпы её роста постепенно увеличиваются.

По прогнозам Межправительственной группы экспертов по изменению климата (МГЭИК) - к концу 21 века температура Земли может повыситься от 1,8 до 4,6°С.

2.2.2 Глобальные последствия и их преодоление

Правильнее было бы говорить не о "глобальном потеплении", а о "глобальных изменениях климата". Ведь помимо роста температуры происходит и ряд других, связанных с потеплением изменений в сложной и многосвязной системе, какой является наша "машина погоды" - климатическая система Земли. Проявляются они в следующем:

· усиление изменчивости погоды (сильные морозы, сменяющиеся резкими оттепелями зимой, рост числа необычайно жарких дней летом);

· угроза для экосистем и биоразнообразия (мигрирующие виды птиц стали раньше прилетать весной и позже улетать осенью, исчезли до 40% видов растений и животных, поскольку их среда обитания изменяется быстрее, чем они могут приспособиться к этим изменениям; при повышении температуры на 1°С прогнозируется изменение видового состава леса);

· увеличение частоты и интенсивности экстремальных погодных явлений (штормов, ураганов, наводнений, засух);

· усиление неравномерности выпадения осадков, а также таких процессов как таяние ледников и вечной мерзлоты, подъёма уровня океана и т.п.

Эти и другие проявления климатической изменчивости ежегодно становятся причиной тысяч смертей и наносят колоссальный ущерб.

Вне зависимости от того, причастен ли к ним человек или нет, необходимо предпринимать меры по противодействию этим изменениям, сдерживать темпы роста температуры с тем, чтобы избежать опасных и необратимых последствий для природы, экономики и общества в будущем.

Предотвратить их полностью человечеству вряд ли удастся. Однако можно попробовать смягчить климатические изменения. В первую очередь, за счёт:

· ограничения и сокращения потребления ископаемого углеродного топлива (угля, нефти, газа);

· повышения эффективности потребления энергии;

· внедрения мер по энергосбережению;

· более широкого использования неуглеродных и возобновляемых источников энергии;

· развития новых экологически чистых и низкоуглеродных технологий;

· через предотвращение лесных пожаров и восстановление лесов, поскольку леса - естественные поглотители углекислого газа из атмосферы [Гарина, 2003].

2.3 Озоновые дыры

Озоновая дыра - локальное падение концентрации озона в озоновом слое Земли.

Жизнь на Земле немыслима без озонового слоя, предохраняющего все живое от вредного ультрафиолетового излучения Солнца. Исчезновение озоносферы привело бы к непредсказуемым последствиям - вспышке рака кожи, уничтожению планктона в океане, мутациям растительного и животного мира. Истощение озонового слоя способствует усилению "парникового эффекта" и общему загрязнению окружающей среды.

В целом содержание озона в атмосфере за последние два десятилетия значительно уменьшилось. Поэтому так важно понять причины возникновения "озоновых дыр".

Озон образуется в верхней стратосфере (40-50км) при фотохимических реакциях с участием кислорода, азота, водорода и хлора. В нижней стратосфере (10-25км), где озона больше всего, главную роль в сезонных и более длительных изменениях его концентрации играют процессы переноса воздушных масс. Содержание озона здесь определяют химический состав атмосферы и долговременные (с периодом более 10 лет) вариации процессов переноса. Основным антропогенным фактором, разрушающим озон, считают фреоны - хлорфторуглероды (ХФУ), чрезвычайно химически стойкие вещества, которые широко используются как газы-носители в аэрозольных баллончиках и т.п.

Из других техногенных причин разрушения озонового слоя называют уничтожение лесов как основных поставщиков кислорода в атмосферу. Зарегистрировано разрушение озона при ядерных взрывах в атмосфере, крупных пожарах и других явлениях, сопровождающихся поступлением в верхние слои атмосферы оксидов азота и некоторых углеводородов. Уничтожают озон полёты сверхзвуковых самолётов в стратосфере, запуски космических ракет. Есть предположение о существенном вкладе природных явлений в процессы разрушения озона и возникновения "озоновых дыр". Например, 11-летние циклы солнечной активности, выход озонразрушающих газов (водород, метан) из разломов земной коры.

"Озоновые дыры" несут в себе угрозу человечеству и требуют постоянного экологического мониторинга за ними [Гарина, 2003].

2.4 Кислотные дожди

Впервые термин "кислотный дождь" был введён в 1872 году английским исследователем Ангусом Смитом при изучении викторианского смога в Манчестере.

Смог (дым, туман) - загрязнение приземного слоя воздуха в больших городах смесью дыма и газовых отходов предприятий и транспорта.

Существуют три вида смога:

1. влажный лондонского типа в сочетании с туманом;

2. сухой лос-анджелесского типа, возникающий в результате фотохимических реакций в газовых выбросах под действием ультрафиолетовой солнечной радиации, образует едкую устойчивую синеватую дымку-пелену;

3. ледяной аляскинского типа от бытовых выбросов и пара на отопительных системах, он типичен для резкоконтинентальных зон умеренного пояса.

Смог снижает видимость, вызывает раздражение слизистой оболочки глаз, носоглотки, верхних дыхательных путей, повреждает растительность.

Во второй половине XX века стало понятно, что кислотные дожди несут в себе угрозу окружающей среде.

Кислотный дождь - все виды метеорологических осадков - дождь, снег, град, туман, дождь со снегом, при котором наблюдается понижение показателя pH дождевых осадков из-за загрязнений воздуха кислотными оксидами (оксидами серы, оксидами азота).

Оксиды серы. Эти соединения попадают в атмосферу естественным путём при извержениях вулканов, но значительная часть атмосферных оксидов серы образуется в результате сжигания природного топлива. Уголь и нефть содержат небольшое количество серы. При сжигании этих видов топлива в атмосферу попадает сера в соединении с кислородом. Растворяясь в дождевых каплях, оксид серы образует серную кислоту.

Оксиды азота. При достаточно высокой температуре содержащийся в воздухе азот соединяется с кислородом с образованием оксида азота. В природе это может произойти во время разряда молнии, но основная часть оксидов образуется при сжигании бензина в двигателях внутреннего сгорания (например, в автомобилях) или при сжигании угля. При растворении этих веществ в капельках воды образуется азотная кислота.

Таким образом, дожди становятся кислотными при вымывании из воздуха серных и азотных соединений. Это явление имеет несколько последствий, губительных для природы. Например, многие исторические здания построены из известняка - строительного материала, реагирующего с кислотой. С течением времени кислотные дожди буквально разъедают поверхность этих зданий. При выпадении кислотных дождей также происходит закисление почвы и ухудшаются условия существования лесов. И, наконец, кислотные дожди повышают кислотность рек и озер, создавая угрозу флоре и фауне.

Методы борьбы с образованием кислотных дождей направлены на улучшение технологии удаления соединений серы из воздушных выбросов промышленных предприятий и электростанций, для чего обычно используют устройство под названием скруббер.

Скруббер - это установка очистки воздушных выбросов от пыли, кислотных, щелочных примесей, легкорастворимых в воде веществ и масляного тумана. Скрубберы можно использовать для улавливания паров растворителей, а также многих других веществ с подбором соответствующих видов реагентов-поглотителей [Денисов,2003].

2.5 Экологические принципы рационального использования природных ресурсов и охраны природы

Природные ресурсы - элементы природы, используемые как источники средства существования людей.

Классификация природных ресурсов, основанная на различных целевых подходах к их эксплуатации: с точки зрения их доступности (реальные и потенциальные), происхождения (природные, антропогенные), химической природы (органические, минеральные), по принадлежности к тем или иным компонентам природы (земельные, водные, ископаемые, растительные, в том числе, лесные), по назначению (производственные, научные, эстетические, рекреационные), по сфере использования (энергетические, сырьевые, пищевые).

Ресурсы делят также на первичные (непосредственно добываемые в природе) и вторичные материальные (поддающиеся утилизации побочные продукты различных отраслей). Есть и экологические ресурсы - качество окружающей среды, соответствующее требованиям человеческого организма.

Природные ресурсы обычно подразделяются на невозобновимые (полезные ископаемые), возобновимые (в основном биологические) и "неисчерпаемые" (энергия Солнца, вода, воздух, тепло недр и др.). К этой же последней категории могут быть отнесены и такие системы жизнеобеспечения как глобальные биогеохимические циклы основных элементов, глобальный гидрологический цикл, циркуляция атмосферы и океана, процессы синтеза-деструкции органического вещества и пр. Это весьма условное деление. Границы между категориями ресурсов размыты.

Основываясь на фундаментальных законах природы, П.Р. Эрлих сформулировал пять принципов, или "железных законов" охраны природы, которые Н.Ф. Реймерс дополнил шестым. Эти принципы должны лежать в основе повседневной деятельности каждого человека.

1. В охране природы возможны только успешная оборона или отступление. Наступление невозможно: вид или экосистема, однажды уничтоженные, не могут быть восстановлены.

2. Продолжающийся рост народонаселения и охрана природы принципиально противоречат друг другу.

3. Экономическая система, охваченная манией роста, и охрана природы так же принципиально противоречат друг другу.

4. Не только для всех других организмов, но и для человечества смертельно опасно представление о том, что при выработке решений об использовании Земли надо принимать во внимание одни лишь ближайшие цели и немедленное благо человека.

5. Аргументы об эстетической ценности различных форм жизни, о том интересе, который они представляют сами по себе, или призывы к сочувствию по отношению к нашим, быть может единственным живым спутникам в космосе попадают в уши глухих. Охрана природы должна считаться вопросом благосостояния и в более далекой перспективе - выживания человека.

6. Не повторяющееся и неповторимое заслуживает особой охраны (принцип уникальности) [Романова, 1993].

2.6 Мониторинг, классификация

Термин "мониторинг" был официально выдвинут в 1972 году на Стокгольмской конференции ООН по окружающей среде.

Экологический мониторинг - комплексная система наблюдений, оценки и прогноза состояния окружающей среды под действием природных и антропогенных факторов. Основной принцип мониторинга - непрерывное слежение. Экологический мониторинг является составной частью экологического контроля и обеспечивает эту службу необходимой информацией о состоянии окружающей природной среды.

По территориальному охвату различают три ступени экологического мониторинга:

· локальный (биоэкологический, санитарно-гигиенический);

· региональный (геосистемный, природно-хозяйственный);

· глобальный (биосферный, фоновый), включающий в себя наблюдения за состоянием окружающей среды из космоса - космический мониторинг.

В программу локального мониторинга, ограниченного небольшой территорией, входят биоэкологические (санитарно-гигиенические) наблюдения за изменением в различных сферах содержания загрязняющих веществ, обладающих канцерогенными, мутагенными и иными неблагоприятными свойствами.

Пункты экологических наблюдений располагаются в местах концентрации населения и районах интенсивной его деятельности с таким расчётом, чтобы они контролировали основные линии связи человека (трофические и др.) с естественными и искусственными компонентами окружающей среды. Это могут быть территории промышленно-энергетических центров, атомных электростанций, нефтепромыслов, агроэкосистем с интенсивным применением ядохимикатов и др.

На региональном (геосистемном) уровне наблюдения ведут за состоянием экосистем крупных природно-территориальных комплексов (бассейнов рек), где имеются отличия параметров от базового фона ввиду интенсивных антропогенных воздействий.

Обеспечить наблюдение, контроль и прогноз возможных изменений в биосфере в целом - задача глобального мониторинга. Его называют ещё фоновым, или биосферным. Объектами глобального мониторинга являются атмосфера, гидросфера, растительный и животный мир и биосфера в целом как среда жизни всего человечества.

При выполнении работ по программе глобального мониторинга особое внимание уделяют наблюдениям за состоянием природной среды из космоса, с помощью спутниковых дистанционных методов. Космический мониторинг позволяет получить уникальную информацию о функционировании экосистем, как на региональном, так и на глобальном уровнях [Степановских, 2003].

2.7 Методы контроля за состоянием загрязнения окружающей среды

Загрязнение - это всё то, что появляется не в том месте, не в то время и не в том количестве, какое естественно для природы, что выводит её системы из равновесия, отличается от нормы, обычно наблюдаемой и (или) желательной для человека.

2.7.1 Загрязнение почв

Поверхностные горизонты почв легко загрязняются. Основные загрязнители почвы:

Стремясь повысить урожаи выращиваемых культур, человек широко применяет удобрения, пестициды, строит оросительные и осушительные системы.

Одним из видов антропогенного воздействия на почву является усиление процессов водной и ветровой эрозии. Эрозия - процесс разрушения и переотложения почвенных частиц воздушными или водными потоками. Эрозия почвы происходит и в естественных условиях, однако она значительно ускоряется вследствие антропогенного воздействия на экосистемы, выражающегося в чрезмерной и неправильной распашке земли, в том числе без учёта рельефа, сведения лесов.

Значительно снижает плодородие почв их засоление -- повышение содержания легкорастворимых солей. Наиболее часто засоление вызывается нерациональной системой орошения земель. Почвы считаются засоленными при содержании в них более 0,1 % по массе солей, токсичных для растений.

Значительное загрязнение плодородного слоя почвы и отчуждение сельскохозяйственных земель вызывает складирование и (или) захоронение промышленных и бытовых твёрдых отходов. Огромные площади земель заняты свалками, золоотвалами и др.

Огромный вред для функционирования почв представляют газодымовые выбросы промышленных предприятий. Почва способна накапливать весьма опасные для здоровья человека загрязняющие вещества, например, тяжелые металлы, радионуклиды и радиоизотопы, оседающие из этих выбросов.

Одной из серьезных экологических проблем России становится загрязнение земель нефтью и нефтепродуктами. Причины загрязнения: аварии на нефтепроводах, несовершенство технологии нефтедобычи, аварийные и технологические выбросы и т.д.

2.7.2 Загрязнение воды

Наиболее важными антропогенными процессами загрязнения воды являются стоки с промышленно-урбанизированных и сельскохозяйственных территорий, выпадение с атмосферными осадками продуктов антропогенной деятельности. Эта процессы загрязняют не только поверхностные воды (бессточные водоёмы и внутренние моря, водотоки), но и подземную гидросферу (артезианские бассейны, гидрогеологические массивы), Мировой океан (в особенности акватории и шельфы).

На континентах наибольшему воздействию подвергаются верхние водоносные горизонты (грунтовые и напорные), которые используются для хозяйственно-питьевого водоснабжения. Аварии нефтеналивных танкеров, нефтепроводов могут быть существенным фактором резкого ухудшения экологической обстановки на морских побережьях и акваториях, во внутриконтинентальных водных системах. Отмечается тенденция увеличения этих аварий в последнее десятилетие.

Виды загрязнений:

Химическое загрязнение - наиболее распространённое, стойкое и далеко распространяющееся. Оно может быть органическим и неорганическим, токсичным и нетоксичным.

Бактериальное загрязнение выражается в появлении в воде патогенных бактерий, вирусов (до 700 видов), простейших, грибов и др. Этот вид загрязнения носит временный характер.

Радиоактивное загрязнение воды весьма опасно даже при очень малых концентрациях радиоактивных веществ.

Механическое загрязнение характеризуется попаданием в воду различных механических примесей. Механические примеси могут значительно ухудшать органолептические показатели вод.

Тепловое загрязнение связано с повышением температуры вод в результате их смешивания с более нагретыми поверхностными или технологическими водами.

К основным источникам загрязнения поверхностных вод относятся:

Наибольший вред водоёмам и водотокам причиняет выпуск в них неочищенных сточных вод - промышленных, коммунально-бытовых, коллекторно-дренажных и др.

Промышленные сточные воды загрязняют экосистемы самыми разнообразными компонентами (фенолами, нефтепродуктами, сульфатами, СПАВ, фторидами, цианидами, тяжелыми металлами и др.), в зависимости от специфики отраслей промышленности.

Огромны масштабы нефтяного загрязнения природных вод. Миллионы тонн нефти ежегодно загрязняют морские и пресноводные экосистемы при авариях нефтеналивных судов, на нефтепромыслах в прибрежных зонах, при сбросе с судов балластных вод и т.д.

2.7.3 Загрязнение атмосферы

Атмосфера оказывает интенсивное воздействие не только на человека и биоту, но и на гидросферу, почвенно-растительный покров, геологическую среду, здания, сооружения и другие техногенные объекты.

Основные агенты воздействия атмосферы на гидросферу атмосферные осадки в виде дождя и снега, в меньшей степени смога, тумана. Поверхностные и подземные воды суши имеют главным образом атмосферное питание и вследствие этого их химический состав зависит в основном от состояния атмосферы.

Отрицательное влияние загрязнённой атмосферы на почвенно-растительный покров связано как с выпадением кислотных атмосферных осадков, вымывающих кальций, гумус и микроэлементы из почв, так и с нарушением процессов фотосинтеза, приводящих к замедлению роста и гибели растений.

Процессы и источники загрязнения приземной атмосферы многочисленны и разнообразны. По происхождению они подразделяются на антропогенные и природные. Среди антропогенных к наиболее опасным процессам относятся сгорание топлива и мусора, ядерные реакции при получении атомной энергии, испытаниях ядерного оружия, металлургия и горячая металлообработка, различные химические производства, в том числе переработка нефти и газа, угля.

Мощным и чрезвычайно опасным фактором загрязнения атмосферы являются катастрофы на АЭС (Чернобыльская авария) и испытания ядерного оружия в атмосфере. Это связано как с быстрым разносом радионуклидов на большие расстояния, так и с долговременным характером загрязнения территории.

Главный природный процесс загрязнения приземной атмосферы - вулканическая и флюидная активность Земли. Продолжительность загрязнённого состояния атмосферы после крупных вулканических извержений достигает нескольких лет.

Стационарных постов наблюдения за воздушным бассейном мало и они не позволяют адекватно оценить его состояние в крупных промышленно-урбанизированных центрах.

К перспективным направлениям оценки состояния приземной атмосферы крупных промышленно-урбанизированных территории относится многоканальное дистанционное зондирование. Преимущество этого метода заключается в способности быстро, неоднократно и в одном ключе охарактеризовать большие площади.

Во всех развитых странах приняты законы об охране атмосферного воздуха. Они периодически пересматриваются с учётом новых требований к качеству воздуха и поступления новых данных о токсичности и поведении загрязняющих веществ в воздушном бассейне [Кормилицын, 1997].

3. Основы экономики природопользования и охраны окружающей среды

Существуют различные определения природопользования. Но в любом случае в основе всех направлений природопользования лежит взаимодействие человеческого общества и природы.

Природопользование (как практическая деятельность человека) - использование природных ресурсов в целях удовлетворения материальных и культурных потребностей общества. Включает в себя различные аспекты: экологические, географические, экономические, юридические, технологические и медико-санитарные.

Природопользование (как наука) - область знаний, разрабатывающая принципы рационального (разумного) природопользования.

Главная задача природопользования как науки состоит в поиске и разработке путей оптимизации взаимоотношений общества с природной средой, что должно способствовать сохранению и воспроизводству благоприятных условий жизни и хозяйственной деятельности человека.

Эта сложная и многогранная задача требует интеграции естественнонаучных, социально-экономических и технических знаний. Этим природопользование отличается от традиционных наук, выполняющих функцию анализа. Получаемые при помощи методов естественных наук выводы об экологической обстановке и прогнозы её развития должны соотноситься с общественными настроениями и воплощаться в юридические нормы, организационные и технические решения.

3.1 Экономические механизмы охраны окружающей среды

I. Кадастры природных ресурсов

II. Финансирование и материально-техническое обеспечение

III. Платы за пользование природными ресурсами и их загрязнение

IV. Экологические фонды

V. Экономическое стимулирование

I. Кадастры природных ресурсов - это своды экономических, организационных, экологических и технических показателей, характеризующих количество и качество природного ресурса, а также категории природопользователей. Единого кадастра природных ресурсов не существует. Кадастры составляются по видам природных ресурсов: земельный, лесной, водный и др.

На базе их данных определяется денежная стоимость природного ресурса, продажная цена, система мер по его оздоровлению и восстановлению.

II. Источниками финансирования могут быть: бюджетные средства, банковские кредиты, экологические фонды, собственные средства предприятий (в основном, прибыль) и другие источники. Финансирование экологических программ должно обеспечиваться материально-техническими ресурсами.

III. В платах за пользование природными ресурсами и их загрязнение предусмотрено два вида платы:

1. за пользование природными ресурсами;

2. загрязнение окружающей среды.

За загрязнение предусмотрено два вида платы:

1. за выбросы, сбросы вредных веществ и размещение отходов в пределах установленных лимитов;

2. за выбросы, сбросы и размещение отходов сверх установленных лимитов, либо без разрешения.

Внесение платы за использование и загрязнение природных ресурсов не освобождает природопользователя от выполнения мероприятий по охране окружающей среды и возмещению ущерба.

IV. Экологические внебюджетные фонды формируются из средств от организаций, граждан, иностранных юридических лиц; из платежей за выбросы и сбросы загрязняющих веществ и размещение отходов; из сумм, полученных по искам, штрафам, за счёт средств от продажи конфискованных орудий охоты и незаконной продукции; из платежей всех предприятий за природопользование. Эти средства зачисляются на специальные счета и используются для финансирования природоохранных мероприятий.

Запрещается расходование средств экологических фондов на цели, не связанные с природоохранной деятельностью.

V. Меры поощрения:

· освобождение от налогообложения экологических фондов и природоохранного имущества;

· установление налоговых и иных льгот предприятиям при внедрении безотходных технологий, использовании вторичных ресурсов;

· применение льготного кредитования предприятий, эффективно осуществляющих охрану окружающей среды;

· применение поощрительных цен на экологически чистую продукцию.

Меры наказания:

· введение специального добавочного налогообложения на экологически вредную продукцию и продукцию, выпускаемую с применением экологически опасных технологий;

· штрафы за экологические правонарушения [Цветкова, 1999].

3.2 Экозащитная техника и технологии

Инженерные природоохранные мероприятия делят на две группы:

I. Мероприятия, снижающие выброс загрязняющих веществ и уровень вредных воздействий:

1. Совершенствование технологических процессов и внедрение малоотходных и безотходных технологий.