Экологический центр ОВОП г.Москвы
А.А.Авраменко,С.В.Рыков, Н.Д.Хоменко, Л.И.Будник
О.А.Машкова, Р.С.Рыков,Е.К.Широкова
.
ХИМИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
(Учебно-информационное пособие)
Москва 2009г.
1
УДК 614.9+159.9
ББК У9(2)248
Химия окружающей среды / А.А.Авраменко,С.В.Рыков, Н.Д.Хоменко, Л.И.Будник,
О.А.Машкова, Р.С.Рыков,Е.К.Широкова ; Общество восстановления и охраны природы
г.Москвы; Международная общественная академия экологической безопасности и
природопользования, Дом научно-технического творчества молодёжи -- М.,2008.
ISBN 5-89522-013-12
Под редакцией докторахимических.наук Г.А.Никифорова (ИБХФ РАН)
Рецензенты:
Профессор, доктор технич.наук И.И.Павлинова (МИКХиС)
Доктор хим.наук В.В.Негребецкий( ВНИИ ХСЗР)
ISBN 5-89522-013-12
Общество восстановления и охраны природы г. Москвы ; 2009.
Международная
общественная
природопользования, 2009
академия
2
экологической
безопасности
и
Тема 1. Основные физико-химические процессы в атмосфере, гидросфере и
почвенном слое.
Известно, что в основе процессов, обусловливающих современное состояние
биосферы, лежат физико-химические превращения в литосфере, гидросфере, атмосфере и
живых организмах. Эти превращения являются предметом изучения соответствующих
разделов химии: геохимии, агрохимии, фотохимии, гидрохимии, биохимии и др. Однако
глобальные процессы, происходящие в окружающей среде и обусловленные природными и
антропогенными факторами, свидетельствуют о тесной взаимосвязи между явлениями,
протекающими с участием абиотических компонентов в различных геосферах, и
биогеохимическими циклами. Эту взаимосвязь подчеркивал В.И. Вернадский в книге
«Химическое строение биосферы Земли и ее окружения».
В 70-х годах XX в. возникло новое научное направление — химия окружающей
среды. Химия окружающей среды базируется на основных законах и понятиях классической
химии, однако объекты исследования в этом случае находятся в биосфере и других
оболочках Земли.
1.1 Солнечное излучение и атмосфера
Все живое и неживое реагирует на изменение солнечного излучения. Солнечный свет
и солнечное тепло создали условия для формирования биосферы, той поверхностной
оболочки Земли, где сосредоточена среда обитания всех живых организмов. Пригодный для
жизни на нашей планете климат поддерживается солнечным излучением и атмосферой.
Атмосфера представляет собой газовую оболочку, окружающую Землю слоем до
3000 км.
Атмосферу подразделяют на слои. В частности, в ней выделяют тропосферу,
стратосферу и ионосферу.
Тропосфера - это ближайший к поверхности Земли слой воздушных масс толщиной в
среднем 10 - 12 км, мощностью от 6 км у полюсов и до 15 - 18 км у экватора. В тропосфере
сосредоточено почти 0,9 всей массы газов, входящих в состав атмосферы. В ней
присутствуют азот, кислород, аргон, диоксид углерода и другие газы, а также почти все
водяные пары. Здесь происходит образование облаков. Облака занимают 0,1 часть объема
тропосферы, и всего лишь одну миллионную часть объема облаков занимает
конденсированная вода. В тропосфере происходит тепловое движение воздуха. С удалением
от поверхности земли температура резко понижается и на высоте 10-12 км она опускается до
-50ºС. В тропосфере также происходит постоянное перемешивание газов, что делает ее
состав приблизительно однородным.
Стратосфера - следующий за тропосферой слой, распространяющийся до высоты 80
- 90 км.
Выше 12 км состав воздуха приблизительно такой же, за исключением того, что
становится больше озона. Присутствие озона на высоте 30 - 55 км обусловливает повышение
температуры до +50ºС, но затем она снова понижается, достигая на высоте 80-90 км -60ºС - 90ºС. (По температурным характеристикам в атмосфере выделяют еще мезосферу и
термосферу.)
Ионосфера - верхняя часть атмосферы, переходящая на высоте 3000 км в
межпланетное пространство.
Ионосфера характеризуется низкой плотностью и высокой степенью ионизации
составляющих ее газов (отсюда и название ионосфера). На высоте 220 км зафиксировано
повышение температуры до нескольких сот градусов.
Когда солнечное излучение проходит через атмосферу Земли, энергия его
уменьшается в результате процессов поглощения, рассеяния и отражения. Эти процессы
обусловлены взаимодействием излучения с молекулами газов атмосферы и частицами пыли,
встречающихся в естественном состоянии.
3
Часть падающего солнечного излучения никогда не достигает земной поверхности приблизительно 30% солнечной энергии. Частично она отражается также снегом, песком,
бетоном (благодаря этому отраженному свету можно видеть освещенную поверхность Земли
из космоса). Почти четверть солнечной энергии, а именно – 23%:, берет на себя круговорот
воды, непрерывно происходящий в природе. Всего лишь 0,02%: всей солнечной энергии
приходится на фотосинтез - ключевой процесс для всего живого на нашей планете (0,2%:
приходится на ветер).
Почти половина всей поступающей на Землю энергии солнечного света (около 47%)
поглощается ее поверхностью, поступая на леса, поля, озера, ледники и пустыни на все
экологические системы, входящие в состав биосферы. При этом нагреваются атмосфера,
океаны и континенты и, таким образом, организмы, живущие на земной поверхности или
вблизи нее, подвергаются воздействию потока энергии, состоящего из солнечного излучения
и теплового излучения от близлежащих тел.
Солнечный свет, который распространяется в космическом пространстве и часть
которого попадает на Землю, представляет собой электромагнитное излучение.
Электромагнитное излучение состоит из фотонов с определенной частотой и
энергией. Чем выше частота, тем больше энергия фотона. (Фотон - частица или порция
энергии электромагнитного излучения, в частности света.) Проходя через атмосферу,
излучение экспоненциально ослабляется, при этом степень ослабления зависит от частоты
света.
Когда прямое солнечное излучение достигает земной поверхности, его энергия
становится существенно меньше вследствие того, что, например, озон атмосферы поглощает
большую часть ультрафиолетового излучения, водяные пары поглощают значительную часть
излучения в ближней инфракрасной области спектра, углекислый газ - значительную часть
излучения в средней инфракрасной области.
Из общего количества солнечного света, достигающего земной поверхности в ясный
день, приблизительно 45%: составляет инфракрасное излучение, практически столько же 45% - приходится на долю видимого света (который имеет цветовую гамму: в зависимости
от интенсивности различают свет красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий,
фиолетовый) и около 9-10:% составляет ультрафиолетовое излучение.
Воздействие электромагнитного излучения различных частей спектра различно. Так,
инфракрасное излучение (частота 1012 -1014 Гц) заставляет быстрее колебаться молекулы, это
приводит к нагреванию тел. (1 герц, или 1 Гц = 1 колебание в секунду.) Под воздействием
видимого света, который имеет более высокую энергию (ему соответствует частота 10 14 Гц),
могут приходить в возбужденное состояние электроны некоторых химических связей. Один
фотон передает энергию одному электрону одной связи. В частности, синий и красный свет
поглощаются особенно сильно хлорофиллом, при этом обеспечивается энергией реакция
фотосинтеза. Зеленые растения, сильно поглощая красные и синие лучи, зеленые поглощают
слабее, совсем слабо поглощают ближнее инфракрасное излучение, а дальнее инфракрасное
излучение сильно. (Таким образом, прохлада в лесу создается благодаря сильному
поглощению красных и синих лучей видимого света листьями деревьев, а их влагой и
водяными парами вокруг листа дальнего инфракрасного излучения.) Обладающие еще более
высокой энергией ультрафиолетовые лучи (им соответствует частота 1014 -1016 Гц)
способны разрушать простые ковалентные связи. Они представляют поэтому наибольшую
опасность для живых клеток. С этой точки зрения весьма существенно наличие в атмосфере
озонового слоя, играющего важную защитную роль.
Функционирование экосистем происходит при постоянном поступлении извне
энергии солнечного света. Лучистая солнечная энергия улавливается хлорофиллом зеленых
растений и превращается в химическую энергию, используемую растениями («работа зеленых
растений») для синтеза более или менее сложных органических соединений, которые служат
пищей животным организмам. Таким образом, одна форма энергии - энергия излучения, или
энергия света - переходит в другую форму - химическую энергию, запасаемую в молекулах
4
углеводов и других питательных веществ в виде энергии связей между входящими в их
состав атомами.
Химическая энергия углеводов и других молекул переходит затем в процессе
клеточного дыхания в биологически доступную форму энергии фосфатных
(макроэргических) связей, используемую клеткой для работы механической (сокращение
мышечных тканей), химической (синтез молекул в процессе роста) и т.д.
Дыхание - это процесс, обратный нормальному фотосинтезу. С помощью этого
процесса все высшие растения и животные, а также большинство бактерий и простейших
получают энергию для поддержания жизнедеятельности и построения клеток. В результате
завершенного дыхания образуются диоксид углерода, вода и вещества клетки, однако
процесс может идти не до конца и в результате такого незавершенного дыхания образуются
органические вещества, еще содержащие некоторое количество энергии, которая в
дальнейшем может быть использована другими организмами. Часть синтезируемой пищи
используется самими продуцентами, излишек, как и протоплазма продуцентов, используется
затем консументами либо частично накапливается или переносится в другие системы.
1.2 Климат как важнейшая характеристика условий существования
Климат - один из основных компонентов экосистем, характеризующих (и
определяющих) среду обитания живых организмов, их условия существования.
Формирование климата обусловлено прежде всего взаимодействием солнечной
лучистой энергии с атмосферой. Достигающая поверхности Земли солнечная энергия
нагревает ее, а нагретая земная поверхность передает тепло примыкающим к ней слоям
воздуха. Нагретый воздух, представляющий собой смесь газов, расширяется, при этом
понижается его плотность (плотность - важная физическая характеристика, помогающая
идентифицировать вещества, это - масса (г/мл), заключенная в единице объема) и он
поднимается. Более холодные и более плотные воздушные слои опускаются. Так образуются
непрерывные потоки воздушных масс, управляющие погодой.
В формировании климата Земли участвует не только атмосфера. Климат определяется
сложными взаимодействиями между атмосферой, океанами, ледяными шапками на полюсах,
животными, растениями и осадочными породами. Ученые считают, что климатические,
прежде всего тепловые, условия биосферы коренным образом никогда не менялись. Часть
тепла, которая остается у поверхности Земли, и та часть тепла, что уходит в космос,
определяются свойствами земной поверхности. Такими важными свойствами,
определяющими совместно скорость нагрева материала при потеплении, являются
отражательная способность и теплоемкость. Это - ключевые понятия в проблеме
потепления. Почва, растительный покров, водная поверхность, ледяной и снежный покровы
имеют характерную отражательную способность и характерную теплоемкость.
Отражательная способность представляет собой свойство материала, которое
помогает сохранять тепловой уровень (температуру). Направленная к поверхности Земли
солнечная лучистая энергия частично поглощается - это приводит к повышению
температуры земной поверхности, а частично отражается - отраженное излучение не дает
вклада в повышение температуры. Каждый вид материала характеризуется определенной
отражательной способностью. Различие в отражательной способности материалов и
определяет температуру земной поверхности.
Для обозначения способности объекта земной поверхности (либо всех объектов)
отражать солнечную радиацию используют специальный термин: альбедо. Чем выше
значение альбедо, тем выше отражательная способность. Так, отражательная способность
леса очень низка, асфальт почти ничего не отражает, а чистый снег отражает около 95%:
солнечного излучения. При этом чем больше отраженных частот видимого света, тем более
холодным оказывается объект (и мы видим его более светлым, а если все фотоны с
частотами видимого света поглощаются, то объект выглядит черным).
5
Теплоемкость - это мера способности тела запасать тепло, выражаемая часто в
джоулях на грамм на градус Цельсия - Дж/(г0С). Чем выше способность тела запасать тепло,
тем выше его теплоемкость. Теплоемкость определяется количеством тепла, необходимого
для повышения температуры единицы массы материала на 10С.
Очень высокой теплоемкостью обладает вода, она составляет 4,2 Дж/(г0С) (1Дж =
0,2388 кал). Водная не сплошная оболочка покрывает 70,8%:поверхности Земли. Вода
медленно нагревается и медленно отдает тепло, а суша, наоборот, быстрее нагревается и
быстрее охлаждается. Поэтому моря и океаны, озера и реки Земли выравнивают
температуру. Воде принадлежит особая роль в формировании климата. На климат влияют
также:
вращение Земли, вызывающее смену дня и ночи и влияющее на розу ветров;
движение вокруг Солнца, вызывающее смену времен года;
неравномерное распределение солнечной радиации по земной поверхности, также
влияющее на розу ветров.
1.3 Облучение биосферы
При образовании Земли как физического тела огромное количество радионуклидов
было вовлечено в формирование земной коры. Постепенно радиоактивность земного
вещества снижалась за счет распада короткоживущих радионуклидов, уровень
ионизирующего излучения при этом изменялся. Многочисленные радионуклиды, рассеянные
в земных породах, в водах рек, морей, океанов, подземных источников, входящие в состав
воздуха и живых организмов, а также космическое излучение создавали естественный
радиационный фон, в условиях которого протекала эволюция биосферы.
1. Космическое излучение представляет собой поток элементарных частиц очень
высокой энергии (1010 -1020 эВ), попадающих на Землю из мирового пространства.
Космические лучи были открыты в 1912г. австрийским физиком В.Гессом, который
установил, что ионизация воздуха на большой высоте превышает ионизацию на уровне моря,
и выдвинул гипотезу о существовании лучей внеземного происхождения. Космические лучи
включают корпускулярную и электромагнитную составляющие (рис.33). Ионизирующее
электромагнитное излучение сходно со световым, но длина волны у него короче (-лучи).
Корпускулярное излучение состоит из потока атомных и субатомных частиц (субатомными
называются частицы, меньшие, чем атом), которые передают свою энергию всему, с чем
сталкиваются. Эти частицы составляют первичное космическое излучение и преобладают в
стратосфере (25-30 км и выше). Первичное космическое излучение, взаимодействуя с ядрами
атомов атмосферы, порождает частицы, также обладающие высокой энергией и скоростью, вторичное космическое излучение, которое преобладает в тропосфере.
Взаимодействие высокоэнергетических частиц первичного космического излучения в
атмосфере с ядрами атомов составляющих ее элементов вызывает ядерные реакции с
образованием так называемых космогенных радионуклидов, в частности, трития, углерода14,бериллия-7, натрия-22, которые вносят определенный вклад в облучение биосферы. Так,
бериллий-7 (короткоживущий, его период полураспада Т1/2 =53,6 сут) поступает в растения с
дождевой водой, с зелеными овощами в организм животных и человека. Тритий - один из
изотопов водорода (31Н, Т1/2 =12,34года) с осадками выпадает на земную поверхность и
участвует в круговороте воды, оказываясь таким образом в тканях живых организмов.
Углерод-14 образуется в природе при бомбардировке ядер азота космическими
лучами в ходе реакции:
7
14
N+n
6
14
C+p
Углерод-14, период полураспада которого 5730 лет, присутствует в углекислом газе
атмосферы. Вместе с обычным углекислым газом радиоактивный изотоп углерода через
6
фотосинтез вовлекается в биотический круговорот. Роль углерода для биологических систем
важнейшая - это связано с тем, что он присутствует во всех органических соединениях.
2. В земной коре радионуклиды могут существовать в рассеянном виде во всех
составляющих ее породах и минералах или в виде значительных скоплений в нижних ее
слоях. Основные радиоактивные изотопы, встречающиеся в горных породах, - калий-40,
рубидий-87, а также уран-238, торий-232 и продукты их распада.
Из трех изотопов калия - К-39, К-40, К-41, - которые встречаются в природе, только
калий-40 является нестабильным долгоживущим нуклидом с периодом полураспада 1,3 млн.
лет. Изотопный состав природного калия всегда одинаков: К-39 - 93,08%, К-40 0,01%, К-41 6,91%. Из почвы калий-40 поступает через корневую систему в растения, а с растительной
пищей в организм животных и человека. Установлено, что любой организм усваивает
природный калий без изменения изотопного состава. Калий является незаменимым
элементом, участвующим в обмене веществ, и поэтому активно поглощается организмом из
окружающей среды. В организме К-40 играет значительную роль как внутренний
излучатель. Обычно это основной естественный бета-излучатель, содержащийся в теле
любого представителя флоры и фауны.
В природе калию сопутствует его химический аналог рубидий: нестабильный
долгоживущий (Т1/2=61млрд. лет) рубидий-87 присутствует в окружающей среде в
микроколичествах.
Основная часть природного урана находится в рассеянном состоянии в составе
минералов и почв либо в растворенном состоянии в океанах, морях, озерах и реках. Однако
встречаются и целые так называемые урановые провинции. В этих случаях на значительных
территориях отмечается повышенное содержание урана в почве, воде, живых организмах.
Среди растительных организмов особенно высока концентрация урана во мхах. Природный
уран состоит из трех изотопов: уран-238 (Т1/2=4,5млрд.лет), составляющий 99,28% всей
массы, уран-235 (Т1/2=0,7млрд.лет), уран-234 (Т1/2=248 тыс. лет). В облучение окружающей
среды U-234 (-излучатель) дает почти такой же вклад, как и U-238, несмотря на
существенно меньшее процентное содержание, так как имеет значительно меньший период
полураспада.
Вторым после урана широко распространенным радионуклидом является торий-232,
встречающийся в природе подобно урану и в виде крупных месторождений, и в рассеянном
состоянии во всех породах и природных водах. Торий-232 (Т1/2=14млрд.лет, -излучатель) и
продукт его распада радий-228, который особенно легко выщелачивается, поступают из
горных пород и почв в грунтовые воды, реки, моря и океаны, а из почвы и воды - в растения
и организмы животных.
Из продуктов радиоактивного распада урана-238 в природную (естественную)
радиоактивность наибольший вклад вносят полоний-210, радий-226, радон-222 и свинец-210.
Ra-226 (источник - и -излучения, Т1/2=1620 лет) сопутствует урану в местах его
накопления, содержится в земных породах, почве, природных водах, откуда поступает в
растения и далее по пищевым цепям экосистем переносится в организмы рыб и наземных
животных, а с растительной и животной пищей - в организм человека. Рассеянный в породах
земной коры Ra-226 непрерывно распадается с образованием инертного благородного газа радона-222 (Т1/2=3,82 сут).
3. Радон и продукты его распада - Pb-210 (T1/2=22,3 года) и Po-210 (T1/2=138,4 сут)
являются основным источником, формирующим естественную радиоактивность низших
слоев атмосферы.
Так как радон является инертным газом, он не вступает в химическое взаимодействие
с другими элементами и, сравнительно хорошо растворимый в воде, он может мигрировать
на значительные расстояния, что способствует рассеянию в биосфере продуктов его распада
свинца-210 и полония-210.Эти изотопы поступают в растения из почвы через корневую
систему и листья из дождевой влаги. В частности, было обнаружено, что содержание свинца210 в траве коррелирует с количеством осадков в данном районе больше, чем с его
7
содержанием в почве. Особенно велико содержание Pb-210 и Po-210 в лишайниках северных
стран (Канада, Финляндия, Мурманская обл. России, Аляска), которым питаются олени,
накапливая таким образом в своем организме эти изотопы. В организм человека эти
радионуклиды поступают, как правило, с пищей и непосредственно из воздуха при дыхании
(у курящих значительно их поступление в легкие с табачным дымом).
Таким образом, живые организмы в процессе своего развития и жизнедеятельности
всегда подвергались как внешнему облучению (космическое излучение, -, - и -излучение
радиоактивных изотопов, содержащихся в почве, воде и воздухе), так и внутреннему радиоактивные изотопы К-40, С-14, Rb-87, уран, торий, радий и продукты их распада,
являющиеся обычными компонентами различных тканей живого организма.
Основными природными источниками поступления радионуклидов, создающих
радиационный фон, являются: 1) космические лучи; 2) калий-40, входящий в состав живых
тканей; 3) радионуклиды в горных породах, почвах, природных водах; 4) радиоактивные
вещества атмосферы.
Естественный радиационный фон в различных частях биосферы может быть
различным. Основными искусственными источниками, влияющими на радиационный фон,
являются: 1) радиоактивные осадки после испытаний ядерного оружия; 2) повышенная доза
космического излучения, полученная при полете в самолете; 3) рентгеновские лучи при
медицинских обследованиях; 4) радионуклиды, поступающие в окружающую среду за счет
ядерных технологий (в том числе и радиоактивные отходы).
Изучение проблемы радиоактивного загрязнения окружающей среды, анализ путей
переноса радионуклидов по пищевым цепям в экосистемах, а также действие ионизирующих
излучений на природные экосистемы превратили радиационные аспекты в одно из самых
важных направлений в экологии. В практическом отношении первостепенное значение
имеет выявление закономерностей миграции радионуклидов по пищевым цепям экосистемы
для решения проблемы максимального снижения их поступления в организм человека. В
связи с этим центральным моментом оказывается экологический анализ трофической
структуры экосистем.
1.4 Радиационный фон как экологическая характеристика условий существования
На поверхности Земли с момента ее образования не было зон, свободных от
радиоактивных изотопов или защищенных от ионизирующего излучения. Живые организмы
в процессе своего развития и жизнедеятельности всегда находились под воздействием
космических лучей, а также -, - и -излучения радиоактивных изотопов, содержащихся в
почве, воде и воздухе. Радиоактивность, проявляемая природными изотопами окружающей
среды - и называемая естественной радиоактивностью - воздействует на отдельные
организмы, биологические системы и на экосистемы в целом. При этом радиоактивные
вещества, поступая в организмы и накапливаясь в них, включаются в процессы переноса по
пищевым цепям экосистемы. Отношение содержания радиоактивного изотопа в организме к
содержанию его в окружающей среде выражается коэффициентом накопления, величина
которого проявляет взаимосвязь между живой и неживой частями экосистем при
рассмотрении радиационных аспектов. Изучению особенностей накопления природных
радионуклидов растениями (в частности, урана, радия, тория) посвящены самые ранние
(1920-1930-е гг.) исследования в области радиационной экологии, или радиоэкологии - так
называется область знаний, изучающая радиационные аспекты в проблеме взаимоотношений
живых организмов со средой их обитания. Термин «радиоэкология» был предложен в 1956 г.
сразу несколькими учеными: А.М.Кузиным и А.А.Передельским и Ю.Одумом. В настоящее
время радиоэкология представляет область науки, которая исследует закономерности
поведения большого набора радионуклидов в природных сообществах - наземных, морских,
пресноводных и т.п. при широком варьировании экологических условий.
П р и м е р . Графическая модель распределения и обмена радиоактивного цезия в
трофических блоках пищевой сети травоядных
8
На рис.1 дана графическая модель, которая была разработана для изучения
круговорота радиоактивного цезия в пищевой сети травоядных.
Накопление
цезия
П
Растения
В
ГХ(=П
)
Травоядные
ГР
Э
ГХ
Хищники
ЕС
Э
ЕС
Рис.1. Модель распространения и обмена радиоактивного цезия в трофических блоках
пищевой сети травоядных.
Здесь: П - поглощение; В - выщелачивание; ГР - гибель растений; ГХ - гибель от
хищников, ЕС - естественная смертность, Э - экскреция.
Распространение и обмен радиоактивных элементов по пищевым цепям,
осуществляется на основе концентрационной функции, присущей живым организмам.
Накопление в живых организмах химических веществ, в т.ч. тяжелых металлов, называется
биоаккумуляцией1.
В условиях стационарного состояния определение параметров потерь позволяет
качественно оценить пределы поглощения (П). Гибель от хищников (ГХ) фактически
является эквивалентной естественной смертности травоядных (ЕС). Живая биомасса блока
плюс смертность представляет продукцию трофического уровня (и валовую продукцию для
первого трофического уровня).
Изучение закономерностей переноса радионуклидов по пищевым цепям экосистемы
приобретает еще большее значение при выявлении особенностей существования организмов
и сообществ растений и животных в естественной среде обитания, загрязненной
радиоактивными веществами.
Кроме радиоактивных изотопов, постоянно присутствующих в окружающей среде, в
атмосферу, гидросферу и почву поступают дополнительные количества радиоактивных
веществ вследствие деятельности человека. Проанализировать изменение концентрации
радиоактивных веществ в живых организмах и среде их обитания, принимая во внимание
наличие природных (естественных) и искусственных радионуклидов, возможно только с
учетом природного радиационного фона. Искусственными называются радионуклиды, не
свойственные биосфере и появившиеся в ней в результате развития ядерных технологий (т.е.
применения научных знаний для превращения природного ядерного ресурса в услуги).
Количество природной радиоактивности в окружающей среде создает естественный,
или природный радиационный фон.
Количество радиоактивного вещества измеряется не только в единицах массы (грамм,
миллиграмм и т.д.), но и активностью, которая определяется числом ядерных превращений
(распадов) в единицу времени. Чем больше ядерных превращений испытывают атомы
данного вещества в секунду, тем выше его активность. Таким образом, небольшая масса
радиоактивного вещества может представлять собой много активности. Так как скорость
распада радионуклидов различна, то одной и той же величине активности будут
соответствовать различные массы разных радионуклидов Например, активность в 1Ки (кюри
- внесистемная единица измерения активности) соответствует 1г радия. 1Ки=3,7 1010
распадов в секунду и, так как 1распад в секунду = 1Бк (беккерель - единица измерения
Содержание свинца в костях современного человека примерно в 50 раз выше, чем в
останках наших древних предков, а концентрация ртути в ныне живущих организмах в 100—
200 раз превышает ее содержание в почве, природных водах и воздухе.
1
9
радиоактивности в системе СИ: Международная система единиц была принята в октябре
1960 г. в Париже Генеральной конференцией по мерам и весам), то 1Ки=3,7 1010Бк. Эту же
активность (1Ки) проявляет масса урана-238, равная 3,001 106 г, углерода-14 - 0,22432 г.
Концентрация радиоактивного вещества обычно характеризуется величиной удельной
активности, т.е. активности на единицу массы (Ки/т, кБк/кг, мКи/г). В жидких или
газообразных веществах - объемная концентрация (Ки/м, Бк/л и т.д.). Для характеристики
загрязнения территории используют основные единицы активности, отнесенные к единице
площади (Ки/км2, Бк/м2, и т.д.).
1.5 Общее представление о биогеохимическом круговороте
Солнечный свет и солнечное тепло создали условия для формирования биосферы и
продолжают поддерживать ее существование. Под воздействием солнечных лучей
протекают процессы фотосинтеза, которые играют основную роль в функционировании
биоэнергетических систем. Фотосинтез требует наличия хлорофилла, сложной системы
ферментов, других белков и нуклеиновых кислот. Эти компоненты образуются в основном
из питательных веществ почвы. Минеральные питательные вещества, такие как нитраты
(NO3-), фосфаты (PO43-), магний (Mg+), калий (K+), извлекаются из почвы корнями растений.
Фосфаты становятся частью молекул АТФ (аденозинтрифосфат), запасающих энергию, ДНК
и РНК и других фосфорсодержащих молекул. Ион магния является ключевым компонентом
хлорофилла, который необходим для фотосинтеза. Ион калия присутствует в соках и клетках
живых организмов. Без иона калия невозможно превращение одних углеводов в другие и
синтез белков растениями. Кроме углерода, водорода и кислорода, растения в ходе реакций
фотосинтеза вовлекают в состав органического вещества также азот и серу. Другими
словами, живые организмы нуждаются в самых различных веществах, которые они берут из
неживого окружения. При этом ни один живой организм не находится в обособленном
состоянии ни от окружающей среды, ни от других организмов. И все организмы, как пишет
академик В.И.Вернадский, «неразрывно и непрерывно связаны прежде всего питанием и
дыханием с окружающей их материально-энергетической средой. Вне ее в природных
условиях они существовать не могут». В результате разрушения микроконсументами
(главным образом это бактерии и грибы) сложных соединений тканей отмерших растений и
животных высвобождаются неорганические питательные вещества, которые вновь могут
быть использованы живыми организмами (продуцентами). Таким образом, в природе
постоянно происходит перенос вещества из неживого окружения в живые организмы и
обратно.
Циркуляция химических элементов по характерным путям из внешней среды в
организм и опять во внешнюю среду называется биогеохимическим круговоротом.
Первые работы в области биогеохимии принадлежат одному из крупнейших
естествоиспытателей академику В.И.Вернадскому, который рассматривал живые организмы
как функцию биосферы. Им был предложен термин «живое вещество» («Проблемы
биогеохимии», 1934). Согласно Вернадскому живое вещество, т.е. совокупность всех живых
организмов, в данный момент существующих, численно выраженные в элементарном
химическом составе, в весе, в энергии, связано с окружающей средой биогенным током
атомов своим дыханием, питанием и размножением. Представленные таким образом
явления жизни изучаются в биогеохимии. Другими словами, если геохимия рассматривает
миграцию химических элементов в неживой природе, то биогеохимия изучает перенос
вещества между живыми и неживыми компонентами биосферы.
1.6 Понятие биогенного вещества
Живые организмы, функционирующие в среде обитания, создают для себя наиболее
благоприятные условия существования. Вещество, которым обмениваются живые организмы
с неживым окружением, по выражению В.И.Вернадского, является биогенным веществом, и
концентрация живым веществом определенных химических элементов в биосфере есть
процесс биогенный.
10
Таким образом, движущей силой переноса вещества в природе оказываются
биологические системы, живые организмы, т.е. движущей силой биогеохимических
круговоротов являются биологические круговороты.
Биогенные вещества (или питательные вещества, или биогены) могут относиться к
макротрофным веществам или к микротрофным . Такое разделение необходимых живым
организмам химических веществ и их соединений обусловлено прежде всего количественной
стороной.
Макротрофные вещества - это те элементы и их соединения, которые являются
ведущими по своей роли в протоплазме и требуются в сравнительно больших количествах. К
ним относятся углерод, водород, кислород, азот, калий, кальций, магний, сера и фосфор.
Микротрофные вещества - это необходимые для жизни элементы и их соединения, но
требуемые в очень незначительных количествах. Среди них марганец, железо, медь, цинк
бор, молибден, кобальт, хлор, ванадий. Данный перечень не является исчерпывающим. В
переносе вещества участвует много таких элементов, биологическое значение которых
изучено не до конца. В целом известно, что организмам жизненно необходимо до 40
химических элементов. В функционировании экосистем важную роль играют не только
отдельные биогенные элементы и их количества, но и скорость, с которой циркулируют
бигенные вещества, осуществляя свой круговорот.
1.7 Основные типы биогеохимических круговоротов
Перенос вещества в экосистеме происходит через ряд биологических и химических
превращений, в результате которых биогенные элементы оказываются в составе того же
самого соединения. В любом биогеохимическом круговороте присутствует запас
питательных веществ, так называемый большой резервный фонд («фонд питательных
веществ» на рис.2). А циркулирующее вещество, участвующее в обмене между живыми
организмами и неживым окружением, образует активный обменный фонд (на рис.2 этот
обменный фонд показан пунктирными связями).
С точки зрения биосферы в целом, в зависимости от того, где сосредоточен резервный
фонд, биогеохимические круговороты делят на два основных типа: 1) круговороты
газообразных веществ и 2) круговороты осадочного типа. В случае круговоротов первого
типа (газообразных веществ) большим резервным фондом служит атмосфера или
гидросфера (океан). Биогеохимические круговороты второго (осадочного) типа
характеризуются большим резервным фондом в земной коре. Так, круговороты азота,
углерода, воды или кислорода относятся к первому типу круговоротов, а фосфора или
кальция - ко второму.
П р и м е р . Графическая модель простейшей наземной экосистемы.
Основные трофические уровни наземных сообществ - это, как правило, продуценты
(растения, аккумулирующие энергию света и вещества субстрата), первичные консументы
(растительноядные) и вторичные консументы (хищники, питающиеся растительноядными).
В некоторых случаях возможна и более длинная цепь: например, растения служат пищей
насекомым, насекомые поедаются птицами, которые, в свою очередь, служат пищей более
крупным хищным птицам.
Графическое построение (рис.2), предложенное Ю.М.Свирежевым и Д.О.Логофетом,
отражает трофическую структуру наземной экосистемы с учетом переноса некоторых
биогенных элементов (и энергии). Здесь присутствует обратная связь: деструкторы
(микробы, бактерии, грибы и т.д.) в процессе своей жизнедеятельности разрушают сложные
органические соединения (мертвую органику и продукты жизнедеятельности) на более
простые минеральные вещества. Субстраты представляют абиотические вещества (в
основном продукты жизнедеятельности консументов), используемые продуцентами.
Данная графическая модель оказывается полезной для дальнейшего количественного
анализа наземного сообщества.
11
С экологической точки зрения важно различать значительные по массе
небиологические запасы - большой резервный фонд (или фонд питательных веществ) и
меньшие по объему накопления, которые активно обмениваются веществами с организмами
- активный обменный фонд. Существенно также, что эти фонды не изолированы друг от
друга. Отлаженный природой экологический механизм биогеохимических круговоротов
нередко оказывается под воздействием деятельности человека, когда в экосистему
привносятся дополнительные количества веществ, включающихся в обмен и нарушающих
естественные процессы переноса вещества. Поэтому важно учитывать существующие
закономерности, чтобы иметь возможность предсказывать последствия такого
вмешательства.
Свет
Продуценты
Первичные
консументы
Субстраты
Вторичные
консументы
Разлагатели
(Деструкторы)
Рис.2. Схема потоков массы и энергии между основными компонентами наземных
экосистем.
1.8 Круговорот серы
Сера принадлежит к числу биогенных элементов, т.е. жизненно необходимых
организмам - ее атомы входят в состав белка. В природе постепенно происходит круговорот
серы, подобный круговороту азота или углерода (рис.3). Растения берут серу из растворимых
сульфатов, а гнилостные бактерии превращают серу белков в сероводород. Сероводородом
питаются другие микроорганизмы. Это так называемые серобактерии, которым вообще не
нужна органическая пища. В их организмах в результате реакции между сероводородом
(H2S), диоксидом углерода (СO2) и кислородом (O2) образуются углеводы и элементная сера.
12
Серобактерии нередко оказываются переполнены крупинками серы - почти всю их массу
составляет сера с очень небольшой «добавкой» органических веществ.
Рис.3. Круговорот серы.
Ключевая роль в круговороте серы принадлежит микроорганизмам, причем на
каждом участке пути активного обменного фонда действуют различного типа бактерии,
выполняющие свою специфическую функцию. Это можно проследить, рассмотрев
биогеохимический круговорот серы в водоеме.
Сульфаты SO42- в воде представляют основную доступную форму для автотрофных
организмов.
Отмершие
растительные
и
животные
организмы
разлагаются
микроорганизмами, в результате чего высвобождается сероводород (H2S). Часть этого
сероводорода превращается в сульфат (SO42-) специализированными серными бактериями.
Другого типа бактерии преобразуют сульфаты SO42 (анаэробное восстановление сульфатов,
т.е. реакция присоединения электронов без участия газообразного кислорода) в газ H2S,
который может подниматься в верхние слои и, попадая в окислительную зону, химическим
путем и при участии других бактерий окисляется до элементной серы. Сера осаждается на
дно, а впоследствии содержащий серу ил образует руду (таково одно из существующих
объяснений образования руды самородной серы). В донных осадках, где в основном идут
процессы разложения, часто возникают анаэробные условия и большие количества
сероводорода не окисляются, а переходят в резервный фонд.
Обширный резервный фонд в круговороте серы сосредоточен в почве и отложениях и
меньший резервный фонд находится в атмосфере. С этой точки зрения данный
биогеохимический круговорот демонстрирует связь различных сред - земной коры, воды и
воздуха.
Сера химически активна и вступает в реакции с большинством элементов. Поэтому в
природе сера встречается не только в свободном состоянии, но и в виде разнообразных
неорганических соединений. Особенно распространены сульфаты (например, гипс CaSO4
2H2O, глауберова соль Na2SO4 10 H2O) и сульфиды (железа, меди, цинка, свинца). Сера есть
и в ископаемых углях, сланцах, нефти, природных газах, в организмах животных и растений.
Земная кора в местах, расположенных близ месторождений серы, часто содержит довольно
значительные количества сероводорода (сероводород - соединение серы с водородом - очень
ядовитый газ с неприятным запахом, всегда присутствующий в местах гниения органических
остатков).
13
Биогеохимический круговорот серы является одним из ключевых в общем процессе
переноса вещества, так как превращения с ним связанные играют существенную роль в
миграции других важнейших биогенных элементов. В частности, когда в осадках образуются
сульфиды железа, фосфор из нерастворимой формы переходит в растворимую и становится
доступным для организмов. Таким образом, один круговорот (фосфора) регулируется другим
биогеохимическим круговоротом (серы).
Круговорот серы и антропогенный фактор
Среди множества вещей, изготавливаемых человеком, мало таких, где не нужны были
бы сера и ее соединения. Они требуются для производства бумаги и резины, эбонита и
спичек, тканей и лекарств, косметики и пластмасс, взрывчатки и краски, удобрений,
ядохимикатов и т.д. Так, бумажная промышленность поглощает значительную часть
мировой добычи серы, много элементной серы потребляет и резиновая промышленность для вулканизации каучуков. Для того чтобы изготовить, например, автомобиль, нужно
израсходовать около 14 кг серы. Иногда говорят даже, что промышленный потенциал страны
довольно точно определяется потреблением серы. Основной потребитель серы - химическая
промышленность. Приблизительно половина добываемой в мире серы идет на производство
серной кислоты, играющей важнейшую роль в химической промышленности. Подсчитано,
что из 150 важнейших химических продуктов для 88 используют в их производстве либо
саму серу, либо ее соединения.
В окружающую среду сера может поступать, в частности, в составе диоксида серы
(SO2). Основной источник поступления двуокиси серы - работающие на угле тепловые
электростанции. Сернистый газ (двуокись серы) менее токсичен, чем, например, сероводород
(H2S), однако выбросы его в атмосферу приводят к тому, что вокруг металлургических
заводов погибают деревья, так как SO2 нарушает процесс фотосинтеза. Механизм
интоксикации диоксидом серы весьма сложен. Загрязняющее вещество поступает в деревья
через поры в листья, а также через почки, кору и другие части. Поглощенный газ
накапливается в кончиках листьев и иголок. При этом изменяется минеральный состав
зеленой массы - увеличивается содержание кальция, калия, магния и железа, а хлорофилл
разлагается.
Изучение природного круговорота серы важно и с точки зрения сельскохозяйственной
деятельности человека. В сельском хозяйстве применяется сера как в элементном виде, так и
в различных соединениях. Сера входит в состав минеральных удобрений и препаратов для
борьбы с вредителями. Наряду с фосфором, калием и другими элементами сера необходима
растениям. Большая часть вносимой в почву серы не усваивается ими, но помогает усваивать
фосфор. Серу вводят в почву вместе с фосфоритной мукой. Имеющиеся в почве бактерии
окисляют ее, образующиеся серная и сернистая кислоты реагируют с фосфоритами, и в
результате получаются фосфорные соединения, которые усваиваются растениями.
1.9 Круговорот азота
Биогеохимический круговорот азота относится к первому основному типу природных
круговоротов - газообразных веществ. Большой резервный фонд его заключен в атмосфере:
примерно 78% атмосферного воздуха составляет азот. Можно сказать, что живые организмы
обитают в азотной атмосфере, умеренно обогащенной кислородом. Основным источником
поступления азота в атмосферу являются вулканические газы. В атмосфере очень много
азота, но он настолько инертен, что растения не могут усваивать его.
Азот - элемент необыкновенный. Противоречивость свойств азота отразилась даже в
его названии: азот (от гр. «а» - отрицание, «зоэ» - жизнь), т.е. безжизненный, полученный как
часть воздуха, не поддерживающая дыхание и горение, является в то же время биогенным,
т.е. жизненно необходимым, элементом. Такое название азоту дал известный французский
химик XVIII-го столетия А.Лавуазье.
Наибольшее влияние на фотосинтез - ключевой процесс на Земле - оказывают такие
факторы, как интенсивность солнечного излучения, температура воздуха, осадки,
14
поступление питательных веществ, особенно азота. Кроме углерода, водорода и кислорода, в
результате реакций, протекающих под воздействием солнечного света, растениями
вовлекаются в состав органического вещества азот и сера. Клетки организмов большей
частью состоят из белков, и около 16%: массы белков составляет азот. Белки входят в состав
протоплазмы (протоплазма - живое вещество, из которого состоят клетки и некоторые
внеклеточные образования). В протоплазме осуществляется обмен веществ.
Земная газовая оболочка, наш воздух, как отмечал академик В.И.Вернадский, есть
создание жизни. Именно жизнь запустила удивительнейший механизм фотосинтеза. Один из
конечных продуктов этого процесса - свободный кислород стал активно соединяться с
аммиаком, высвобождая молекулярный азот:
4NH3 + 3O2
2N2 + 6 H2O
(9)
И тот факт, что в обычных условиях азот и кислород между собой не
взаимодействуют, оказался определяющим в формировании земной воздушной оболочки как
природного хранилища атмосферного инертного азота.
Атмосферный азот не может использоваться (в силу инертности) растениями,
которым необходим этот биогенный элемент в процессах фотосинтеза. Потребовалась
«фиксация» азота.
«Фиксация», или «связывание», азота состоит в превращении азота в азотные
соединения, в усваиваемую растениями форму (такой формой являются нитратные
соединения NO3-).
В природе существуют механизмы «связывания» азота - биологический и
небиологический.
Небиологический механизм «фиксации» азота. Молекулярный азот атмосферы
инертен. Тройная химическая связь его молекулы (N ≡ N ) образует самую стабильную из
всех известных двухатомных молекул. Нужны колоссальные усилия, чтобы разрушить эту
связь (обычно связи такой кратности малоустойчивы). Небиологический природный
механизм обеспечивает постоянное «связывание» атмосферного азота. Молнии вызывают
ряд реакций, в результате которых происходит «связывание», или «фиксация» атмосферного
азота в виде разбавленного раствора азотной и азотистой кислот, непосредственно
усваиваемых растениями.
Как утверждает статистика, в атмосфере нашей планеты ежегодно вспыхивают три с
лишним миллиарда молний. Мощность отдельных разрядов достигает 200 млн. киловатт,
при этом воздух разогревается (локально) до 20 тыс. градусов по Цельсию. При такой
температуре молекулы азота и кислорода распадаются на атомы, которые вступают в
химическую реакцию с образованием непрочной окиси азота:
N2 + O2
2NO
Вследствие быстрого охлаждения (разряд молнии длится десятитысячную долю
секунды) окись азота не распадается, а окисляется кислородом воздуха. Образуется более
стабильная двуокись азота:
2NO+ O2
2NO2
В присутствии атмосферной влаги и капель дождя двуокись азота превращается в
азотную кислоту:
3NO2 + H2O
2HNO3 + NO
Проникая в почву, атмосферная азотная кислота образует с ее веществами
разнообразные естественные удобрения. Таким образом, дождь оказывается существенным
фактором в процессе переноса доступного азота и в его круговороте.
Биологический механизм «фиксации» азота. Помимо небиологического
«связывания» азота, в биосфере непрерывно действует биологический механизм, благодаря
которому атмосферный азот переходит в доступную растениям форму. Такой формой,
наиболее пригодной для использования зелеными растениями, являются нитраты (NO3-).
15
Биологическая «фиксация» азота осуществляется почвенными бактериями. Еще в
древности было замечено, что некоторые растения, в частности бобовые, способны
повышать плодородие почвы. Первым, кто заинтересовался, почему бобовые повышают
урожай зерновых, считают французского агрохимика Ж.Буссенго, который установил (в
1838г.), что бобовые обогащают почву азотом. Он предположил, что листья бобовых
усваивают азот из воздуха. Это предположение было ошибочным, но иным оно быть не
могло, так как в то время еще не было известно о существовании особых микроорганизмов,
вызывающих образование клубеньков в корнях бобовых растений. В симбиозе с бобовыми
эти организмы и фиксируют азот атмосферы. Симбиотические отношения между
организмами - это такие, когда организмы-симбионты потребляют часть питательных
веществ организма-хозяина, при этом симбионта, в свою очередь, поставляют организмухозяину некоторые полезные вещества, которых раньше у него не было. Доказано, что путь
элементного азота в живое вещество стал возможен благодаря восстановительным
процессам, в ходе которых азот превращается в аммиак. Решающую роль при этом играет
фермент нитрогеназа. Его центры, содержащие соединения железа и молибдена,
активизируют азот, а водород активизируется в это время другим ферментом и в результате
образуется соединение NH3. (Ферменты - вещества, регулирующие скорость
многочисленных процессов, протекающих в клетке. Это - высокоспециализированные
белковые молекулы, синтезируемые живыми клетками.) Так из инертного азота получается
весьма активный аммиак - первый стабильный продукт биологической азотфиксации.
Упрощенная схема природного круговорота азота дана на рис.4.
Ключевая роль в круговороте азота, как и в круговороте серы, принадлежит
микроорганизмам. Атмосферный азот N2 превращается в аммиак NH3 или ион аммония NH4+
бактериями, живущими в корнях бобовых и в почве. Далее, аммиак NH3 или ион аммония
NH4+ окисляются другими (нитритными) бактериями почвы до нитрит-иона (NO2-). Затем в
результате деятельности так называемых нитратных бактерий образуются нитратные
соединения (NO3-). Именно в форме нитратов азот поглощается корнями высших растений.
Из почвы соединения азота попадают в растения. Потом растения потребляют
животные (первичные консументы), хищники - травоядных животных. По пищевой цепи
идет круговорот вещества, в том числе и биогенного элемента азота. При отмирании
организмов их белки и другие азотсодержащие вещества разлагаются бактериями и грибами,
при этом азот выделяется в виде аммиака NH3 или ионов аммония NH4+. Эти соединения
нитритные бактерии переводят в нитриты NO2- , которые далее превращаются в нитраты
нитратными бактериями. При этом большая часть азота циркулирует в активном обменном
фонде и форма существования азота постоянно меняется. Часть азота возвращается в
атмосферный резервный фонд: специализированные бактерии, которые называются
денитрифицирующими, превращают аммиак NH3 , нитриты NO2- и нитраты NO3- в
газообразный азот, поступающий в атмосферу. Часть связанного азота выводится из
процесса круговорота и отлагается в виде залежей селитры.
16
Рис.4. Упрощенная схема природного круговорота азота.
Таким образом, сначала процессы жизнедеятельности перевели аммиак (NH3)
первичной атмосферы в азот, а затем жизнь снова превратила азот (N2) в аммиак - именно
так и возник круговорота азота.
Способностью фиксировать азот не обладает ни одно высшее растение или животное.
Бобовые растения могут фиксировать азот только благодаря наличию специализированных
бактерий, живущих в их корнях. Существование в почвах особых бактерий (Clostridium
Pasterianum), которые образуют из азота атмосферы аммиак, разъяснил в 1893г. знаменитый
русский микробиолог С.Н.Виноградский. При изучении нитрифицирующих бактерий
С.Н.Виноградский в 1887г. открыл процесс хемосинтеза Эти бактерии живут в почве и
осуществляют окисление аммиака, образующегося при гниении органических остатков.
С.Н.Виноградский впервые доказал существование в природе автотрофных незеленых
организмов (серобактерий, железобактерий, нитрифицирующих бактерий).
В настоящее время известно довольно много различных азотфиксаторов: бактерии,
дрожжевые, плесневые грибы, сине-зеленые водоросли и др.
Ступенчатый процесс разложения белка до нитратов показан на рис. 5. Такое
графическое представление энергетических взаимоотношений в круговороте азота позволяет
показать различие основных этапов, требующих затраты энергии, от процессов,
протекающих с высвобождением энергии.
С точки зрения биосферы в целом круговорот азота оказывается относительно
совершенным благодаря обширному резервному фонду в атмосфере и саморегулирующимся
17
механизмам обратной связи.
биологической фиксации.
Существенным
моментом
является
ведущая
роль
Рис.5. Основные этапы круговорота азота.
1.10 Круговорот фосфора
Как и всякий жизненно необходимый элемент, фосфор совершает в природе
круговорот. Фосфор берут растения из почвы, от растений этот биогенный элемент
поступает в организмы животных, в том числе и человека. В почву фосфор возвращается с
продуктами жизнедеятельности и при гниении мертвой органики. Органический фосфор
переводится фосфоробактериями в неорганические соединения.
Фосфор широко распространен в земной коре - главным образом в виде фосфата
кальция. Биогеохимический круговорот фосфора относится ко второму, осадочному, типу.
Основной резервный фонд в круговороте фосфора сосредоточен в горных породах.
В земной коре фосфор встречается исключительно в виде соединений, он содержится
не менее чем в 190 минералах (фторапатит – Сa5(PO4)3F, гидроксилапатит - Сa5(PO4)3OH,
фосфорит - Сa3(PO4)2 с примесями и др.). Минералы фосфора делятся на первичные и
вторичные. Из первичных наиболее распространены апатиты, часто встречающиеся среди
пород магматического происхождения. Эти минералы образовались в момент становления
земной коры. Вторичные минералы - фосфориты залегают среди пород осадочного
происхождения, образовавшихся в результате отмирания живых организмов.
Фосфор совершенно необходим и животным, и растениям. Он обнаружен буквально
во всех органах зеленых растений: в стеблях, в листьях, в корнях, но больше всего его в
плодах и семенах. Растения накапливают фосфор, от растений он попадает к животным. В
организме животных фосфор сосредоточен главным образом в скелете, мышцах, в нервной
ткани. Почти все важнейшие физиологические процессы, происходящие в организме
человека, связаны с превращениями фосфорорганических веществ. Тело человека содержит в
среднем 1,5 кг фосфора, из них 1,4 кг приходится на кости, почти 130 г - на мышцы и около
12 г на нервы и мозг. Без фосфорорганических соединений не мог бы идти процесс обмена
углеводов в ткани мозга. Фосфорсодержащий фермент фосфорилаза способствует не только
распаду, но и синтезу полисахаридов в мозгу. Другой важнейший процесс - сокращение
мышечных тканей (в которых всегда сохраняется постоянный уровень АТФ) поддерживается
энергией, выделяющейся при реакциях с участием аденозинфосфатов. При сокращении
мышцы молекула АТФ (аденозинтрифосфат) распадается и при этом высвобождается много
энергии. Фосфор - по выражению академика А.Е.Ферсмана - это «элемент жизни и мысли» и,
следовательно, этот элемент будет нужен всегда, поэтому так важно поддержание его
природного биогеохимического круговорота.
Чтобы растения могли усваивать фосфор, он должен находиться в составе
растворимого соединения. Из почвы фосфор усваивается растениями в форме растворенных
фосфатов (PO43-). Почва постепенно и постоянно теряет фосфор, по крайней мере его
усвояемую часть. Фосфор часто оказывается лимитирующим элементом и, как отмечал
академик Д.Н.Прянишников (1865-1948) в 1924 г. (в работе «О значении фосфатов для
нашего земледелия и о расширении возможностей непосредственного применения
фосфоритов»), «за известным пределом фосфор попадает в положение того «минимального
18
фактора», которого наиболее недостает для получения хорошего урожая, как это совершенно
правильно было подмечено еще Либихом» (см. главу 5). Из почвы в единицу времени
выводится значительно больше фосфора, чем поступает в почву, поэтому естественно, что
для получения устойчивых урожаев этот фосфор должен быть возвращен в почву, и
осуществляется это использованием фосфорных удобрений.
Общая схема биогеохимического круговорота фосфора показана на рис.6. Горные
породы, которые являются большим резервным фондом, постепенно разрушаются.
Наблюдается так называемая эрозия, т.е. процессы размывания и разрушения, в результате
чего высвобождаются фосфаты в экологические системы. В водных экосистемах обычно
идентифицируют несколько крупномасштабных форм фосфора в составе клеточной ткани
фитопланктона и бактериопланктона, в растворенных неорганических и органических
соединениях, а также во взвесях. Важнейшей формой фосфата в клеточном веществе
фитопланктона являются ортофосфаты, представляющие собой ионы PO43-. (Растворенный
ортофосфат и органический составляют общий фосфор в водной экосистеме.)
От фитопланктона фосфор по пищевым цепям попадает к рыбам. Рыбоядными
морскими птицами, создающими гнездовья у побережий, обеспечивается возвращение из
моря на сушу. Часть фосфора, поступающего в море вследствие эрозии, аккумулируется в
мелководных осадках, а часть в глубоководных. В морских экосистемах важную роль в
механизме возвращения фосфора в круговорот играет явление апвеллинга. Апвеллинг подъем глубинных вод, которыми и переносится фосфор в верхние слои водной толщи.
Рис.6. Круговорот фосфора.
В атмосфере фосфор практически отсутствует, если не рассматривать кратковременно
присутствующие пылевидные формы, и поэтому перенос фосфора происходит практически в
системе почва-вода. Таким образом, важнейший биогенный элемент фосфор постоянно
циркулирует и в масштабах больших времен здесь важны как физиологические процессы
(гнездовья у побережий), так и физические (эрозия, вулканические газы).
Рассмотрев даже в общих чертах природный круговорот фосфора, нетрудно
заключить, что на естественные процессы переноса этого биогенного вещества не могут не
влиять такие виды деятельности человека, как сельское хозяйство, связанное с внесением в
почву фосфорных (и других) удобрений, морское рыболовство или добыча фосфоритных
руд. Об этом пишет, в частности, известный американский эколог Дж.Э.Хатчинсон,
анализировавший деятельность человека с точки зрения влияния именно на круговорот
фосфора.
19
Избыточное поступление фосфора в водоемы в результате смыва удобрений и сброса
промышленных и бытовых сточных вод привело в ряде случаев к резкому увеличению
продуктивности и ухудшению санитарно-биологического состояния многих природных
водных объектов - возникла экологическая проблема эвтрофирования.
Тема 2. Антропогенные воздействия и вызванные ими изменения в атмосфере Земли
(4 часа).
Изменение озонового слоя; атмосферные циклы соединений серы и азота в
тропосфере, образование смога; формирование кислотности и состава атмосферных
осадков.
2.1 Общие представления об изменениях в атмосфере, вызванных антропогенными
воздействиями
Загрязнения атмосферы могут носить как природный, так и антропогенный характер.
Влиять на природные загрязнения атмосферы человек не может, однако регулировать
характер загрязнений в результате собственной деятельности человечество не только может,
но и должно.
Следует помнить, что в атмосферу попадают как материальные загрязнители
(вещества различных агрегатных состояний — газы, жидкости и твердые вещества), так и
энергетические загрязнители — звуковые шумы, вибрация, излучения тепловой и
электромагнитной энергии, различные виды радиации.
Общий объем выбросов в атмосферу увеличивался до конца XX в. и продолжает расти
в настоящее время. Одновременно усиливается и внимание к решению возрастающих
экологических проблем. К концу прошлого века в нашей стране установлены гигиенические
нормативы (допустимые уровни воздействия на организм человека) уже более 2100
индивидуальных веществ, тогда как для первых десяти веществ они были введены еще в
1951 г.. В соответствии с п. 7 ст. 15 Федерального закона «Об охране атмосферного воздуха»
от 04.05.99 г. № 96-ФЗ: выброс в атмосферный воздух загрязняющих веществ, степень
опасности которых для человека и окружающей среды не установлены, запрещен.
Источниками загрязнений атмосферы являются практически все виды деятельности
человека — от бытовой до производственной. Практически все предприятия загрязняют
атмосферу какими-то загрязнителями, но в большей или меньшей степени. Установлено, что
наибольший вклад в загрязнение атмосферы вносят автотранспорт и энергетика, особенно
топливная. Велика роль в этот процессе строительной индустрии и химической
промышленности.
Различают первичное загрязнение, происходящее вследствие выбросов из источника
собственно загрязняющих веществ, и вторичное загрязнение - результат химических
превращений веществ в атмосфере.
Загрязняющие вещества можно разделить на первичные загрязнители, вторичные
загрязнители, искусственные вещества и пыль.
Первичные загрязнители. Вещества, ежегодно выбрасываемые природными и
искусственными источниками и создающие основное загрязнение воздушного бассейна,
составляют категорию первичных загрязнителей атмосферы.
Основными первичными загрязнителями являются: CO2, CO, SO2, CH4, NOx (NO +
NO2), НМУВ (низкомолекулярные углеводороды), NH3, H2S. В табл. 1 даны главные
природные и искусственные источники поступления в атмосферу этих первичных
загрязнителей.
Вторичные загрязнители. Загрязняющие вещества после выхода из источника не
остаются в атмосфере в неизменном виде. Происходят физические и химические изменения
вследствие процессов разбавления, турбулентной диффузии или окисления и др.
20
Вещества, образующиеся в атмосфере при химических реакциях между первичными
загрязнителями и природными компонентами воздуха, называют вторичными
загрязнителями.
Так, наличие газообразных загрязняющих веществ в атмосфере может приводить при
температурных изменениях к образованию туманов вследствие конденсации, а некоторые из
таких газообразных загрязнителей после длительного пребывания в воздухе превращаются в
высокодисперсные твердые частицы. Химические реакции в атмосфере вызывает также
солнечное излучение. Такие реакции, инициируемые светом, называются фотохимическими.
Примеры химических реакций, происходящих в атмосфере, в упрощенном виде даны на
рис.7.
Наиболее часто происходящий в атмосфере химический процесс - окисление веществ
кислородом воздуха. Так, диоксид серы SO2 окисляется и переходит в триоксид серы SO3,
оксид азота NO - в диоксид NO2 и т.д. Скорость окисления для различных веществ
неодинакова и зависит от других факторов. Например, диоксид серы SO2 в сухом чистом
воздухе остается в течение 2 - 4 (и более) дней, а затем превращается в триоксид SO3 . Если
же влажность достаточно велика и в воздухе присутствуют твердые частицы, то при
окислении такие частицы играют роль катализатора, и переход SO2 в SO3 протекает быстрее.
В этих условиях полупериод реакции составляет 10 - 20 минут - при этом половина диоксида
серы SO2 переходит в триоксид SO3, хотя дальнейшее превращение диоксида в SO3 может
происходить от нескольких часов до нескольких суток. Последующие реакции с водой и
другими веществами в атмосфере могут перевести оксиды серы в сульфаты SO42- или серную
кислоту.
Таблица 1. Основные первичные загрязнители атмосферы и их источники
Загрязнитель
CO2
CO
Природный источник
Биологический распад
Выделение из океана
Лесные пожары
Дыхание
Лесные пожары
Фотохимические реакции
Искусственный
источник
Сгорание дерева и
природного топлива
Неполное сгорание
(особенно в
автомобилях)
SO2
Вулканические и биологические
процессы
Сгорание угля и нефти,
плавка руд
CH4
Биологический (анаэробный)
распад, деятельность термитов
Сгорание; утечка
природного газа
NOx
(NO+NO2)
НМУВ
Грозовые разряды
Деятельность бактерий почвы
Биологические процессы
Высокотемпературное
сгорание
Неполное сгорание
(особенно в
автомобилях)
NH3
Биологический (анаэробный)
распад
Вулканы
Биологический (анаэробный)
распад
Обработка почв;
удобрения
Перегонка нефти и
обработка почв
H2S
21
Искусственные вещества - одна из категорий загрязнителей атмосферы, в частности,
фреоны или другие хлорсодержащие газы, могут разрушать озоновый слой стратосферы.
Происходит это вследствие химических превращений в стратосфере.
Рис.7. Примеры химических реакций, происходящих в атмосфере.
22
Загазовывание приводит к различным эффектам (кислотным дождям, парниковому
эффекту, появлению озоновых дыр) – табл. 2.
Табл. 2. Антропогенное загрязнение атмосферы (по Винокурову)
Основные газовые примеси в атмосфере
Антропогенные изменения в Диоксид Метан Оксиды Оксид
Диоксид Фреоны Озон
атмосфере
С
азота
азота (1) серы
"Парниковый
+
+
+
эффект"
Разрушение слоя озона
Кислотные дожди
+
Фотохимический смог
+
Пониженная видимость
+
атмосферы
Ослабление самоочищения
атмосферы
«+» - газ усиливает эффект, «-» - газ ослабляет эффект.
-
+
+
+
+
+
+
-
Запыление связано с поступлением в атмосферу мелкодисперсных частиц жидких и
твердых веществ. Эти частицы образуют достаточно устойчивые аэрозоли, оказывающие
вредное воздействие на организмы. Запыление вызывается извержениями вулканов,
пылевыми бурями, образованием мельчайших частиц туманообразной серной кислоты из
сернистого газа, воды и кислорода, находящихся в атмосфере; попаданием пылеватых
частиц, образующихся при производстве цемента, муки, кормовых дрожжей и т.д.
Запыление приводит к понижению уровня поступления тепловой энергии и солнечной
радиации, вызывает заболевания верхних дыхательных путей и т.д.
2.2 Изменение озонового слоя
Общее количество озона в атмосфере не велико, тем не менее озон — один из
наиболее важных ее компонентов. Благодаря ему смертоносная ультрафиолетовая солнечная
радиация в слое между 15 и 40 км над земной поверхностью ослабляется примерно в 6500
раз. Озон образуется в основном в стратосфере под действием коротковолновой части
ультрафиолетового излучения Солнца. В зависимости от времени года и удаленности от
экватора содержание озона в верхних слоях атмосферы меняется, однако значительные
отклонения от средних величин концентрации озона впервые были отмечены лишь в начале
80-х годов прошлого века. Тогда над южным полюсом планеты резко увеличилась озоновая
дыра — область с пониженным содержанием озона. По современным данным, озоновая дыра
существовала практически всегда, то появляясь время от времени, то исчезая в соответствии
с сезонными изменениями в состоянии атмосферы. В начале 80-х годов прошлого века было
установлено, что произошли серьезные изменения в динамике этого явления — «дыра»
перестала восстанавливаться до исходного состояния. Таким образом, природные колебания
концентрации озона в стратосфере усложнились из-за антропогенного воздействия. Осенью
1985 г. его содержание снизилось относительно среднего на 40%. Уменьшение содержания
озона наблюдалось и на других широтах. В частности, на широте Москвы оно составило
около 3% .
Уменьшение «толщины» озонового слоя приводит к изменению (увеличению)
количества ультрафиолетового излучения Солнца, достигающего поверхности Земли,
нарушению теплового баланса планеты. Изменение интенсивности солнечного излучения
заметно влияет на биологические процессы, что в конце концов может привести к
23
критическим ситуациям. С увеличением доли ультрафиолетовой составляющей в излучении,
доходящем до поверхности планеты, связывают рост числа раковых заболеваний кожи у
людей и животных. У человека это три вида быстротекущих раковых заболеваний: меланома
и две карценомы.
Установлено, что увеличение дозы ультрафиолетового излучения на 1% приводит к
увеличению раковых заболеваний на 2%. Однако у жителей высокогорных районов, где
интенсивность излучения в несколько раз выше, чем на уровне моря, рак крови встречается
реже, чем у жителей низменностей. Это противоречие пока объясняют тем, что не столько
увеличился уровень облучения, сколько изменился образ жизни людей, которые стали
значительно больше времени проводить на солнце. В то же время жесткое (λ < 320 нм)
ультрафиолетовое излучение относится к числу ионизирующих излучений, а следовательно,
является мутагенным фактором среды обитания.
Среди катализаторов разложения озона наиболее важная роль принадлежит оксидам
азота:
NO + O3 = NO2 + O2
NO2 + О = NO + O2
О3
+ О = 2О2 - 391 кДж/моль,
а также атомам хлора:
С1 + О3 = СlО + О2
СlО + О = О2 + С1
В качестве катализатора реакции разложения озона может служить ОН-радикал,
образующийся с участием паров воды:
ОН + О3 = О2 + НО2
НО2 + О = О 2 + ОН
По расчетам одна молекула хлора способна разрушить до 1 млн молекул озона в
стратосфере, а одна молекула оксида азота — до 10 молекул О3. Феномен антарктической
«озоновой дыры» по одной из теорий объясняется воздействием хлорфторуглеродов
(фреонов) антропогенного происхождения. Так, измерения показали почти двукратное
превышение фоновых концентраций хлорсодержащих частиц в зоне антарктической «дыры»
и наличие в весенние месяцы в стратосфере над Антарктидой областей почти без озона.
Природной причиной разрушения озонового слоя из-за поступления в стратосферу
атомарного хлора является хлорметан (СН3С1) — продукт жизнедеятельности организмов в
океане и лесных пожаров на суше. В то же время достоверно установлено, что в результате
деятельности человека в атмосфере появился значительный избыток азотных и
галогеноуглеродных соединений.
Оксиды азота антропогенного происхождения образуются из азота и кислорода
воздуха при высоких температурах (начиная с 1000 °С и выше) в присутствии катализаторов,
в качестве которых выступают различные металлы. Такие условия складываются при
сжигании топлив, причем чем выше температура процесса горения, тем больше образуется
оксидов азота (NOX). Наиболее подходящие условия для образования оксидов азота имеются
в современных двигателях, в том числе у воздушных судов, давно освоивших как
тропосферу, так и стратосферу.
Кроме того, зона стратосферы, где находится озоновый слой, подвергается
воздействию ракетной техники. Принципиально новые проблемы возникают при
использовании ракетоносителей, в первую очередь на твердом топливе, так как оно содержит
много соединений хлора и азота. При подъеме на высоту 50 км при общей массе полезного
24
груза 29,5 т для ускорителей американского «Спейс шатл» количество отходов, наиболее
опасных для озонного слоя, составляет, т:
хлор и его соединения............................
.187
оксиды азота (N0х).................................
7
оксиды алюминия (в виде аэрозолей).................177
Согласно оценкам экспертов Всемирной метеорологической организации, при уровне
поступления в атмосферу фреонов, имевшемся в начале 90-х годов, концентрация озона в
стратосфере через 15—20 лет должна уменьшиться на 17%, после чего стабилизироваться.
При этом климат у поверхности Земли должен измениться незначительно, а уровень
ультрафиолетового излучения — возрасти на треть.
Атомарный хлор образуется в стратосфере в результате фотохимического разрушения
хлорфторуглеродов (ХФУ), или фреонов, или хладонов CF2G12 и CFC13. Эти вещества
летучи и устойчивы в тропосфере. Однако в условиях стратосферы они начинают
распадаться в связи с образованием свободных атомов галогенов.
Хлорфторуглероды являются очень стабильными веществами. Время их
существования в атмосфере велико: многие десятилетия. Они долгое время широко
применялись в аэрозольных баллончиках, холодильных и иных установках.
Хлорфторуглерод «Хладон 12» (CC12F2) был специально подобран для замены токсичного и
обладающего резким запахом аммиака, повсеместно применявшегося до того времени в
холодильных агрегатах. Демонстрируя в 1930 г. новый хладагент в Американском
химическом обществе, американский инженер Томас Мидгли вдыхал его в себя и задувал им
свечу. Тем самым подчеркивались два основных положительных качества «Хладона 12» —
негорючесть и нетоксичность (среди вредных веществ, включенных в ГОСТ 12.1.005-88,
выделятся фреоны с максимальными значениями ПДК рабочей зоны, равными 1000—5000
мг/м3.). Кроме всего, это соединение коррозионно пассивно.
«Хладон 12», а также и «Хладон 11» (CC13F) относятся к классу хлорфторуглеродов
— веществ, состоящих из хлора, фтора и углерода. Этот класс включает в себя несколько
соединений с различной температурой кипения, что позволяет легко подобрать конкретное
вещество для решения разнообразных задач: создания холодильного агрегата или
автомобильного кондиционера; очистки поверхности печатных плат для изделий
микроэлектроники; аэрозольного распыления косметических или иных средств из
«аэрозольных баллончиков»; вспенивания сырья при изготовлении изделий из пластмасс;
пожаротушения и пр. К ХФУ также относятся метилхлороформ (CH3CCl3),
четыреххлористый углерод (СС14) и галлоны (бромфторуглероды (CF3Br; CF2BrCl; C2F4Br2),
использующиеся в огнетушителях, а также в некоторых видах военной техники, из-за чего
информация о них крайне ограничена. Отличаются в несколько раз большей
озоноразрушающей способностью, хотя используются в относительно малых количествах).
После того как выяснилось, что ХФУ столь губительны для стратосферного озона, было
предложено
использовать
заменители
—
хлорфторуглеводороды
(ХФУВ)
и
фторуглеводороды (ФУВ), имеющие в составе своих молекул атом водорода, химическая
связь с которым менее прочная. Эта особенность снижает стойкость соединения, и оно
может разрушаться уже в тропосфере, а не только когда попадает в стратосферу.
Понимая остроту и сложность этой неожиданно возникшей перед человечеством
глобальной экологической проблемы, участники международных переговоров в Вене в марте
1985 г. подписывают «Венскую конвенцию по охране озонового слоя», призывающую
страны к проведению дополнительных исследований и обмену информацией по сокращению
озонового слоя. Однако они не смогли прийти к согласию о единых международных мерах
ограничения производства и выбросов ХФУ.
В 1987 г. на международной встрече в Монреале 98 стран заключили соглашение
(Монреальский протокол) о постепенном прекращении производства ХФУ и запрещении
выбросов их в атмосферу. В 1990 г. на новой встрече в Лондоне ограничения были
25
ужесточены — около 60 стран подписали дополнительный протокол с требованием
полностью прекратить производство ХФУ к 2000 г.
В связи с тем что подобные ограничения затрагивали экономические интересы стран,
был организован специальный фонд для помощи развивающимся странам по выполнению
требований Протокола. В частности, благодаря Индии было достигнуто отдельное
соглашение о передаче этим странам передовых технологий для самостоятельного
производства заменителей хлорфторуглеродов.
В нашей стране в мае 1995 г. принято постановление Правительства РФ № 526 «О
первоочередных мерах по выполнению Венской конвенции об охране озонового слоя и
Монреальского протокола по веществам, разрушающим озоновый слой», а в мае 1996 г. —
постановление Правительства РФ № 563 «О регулировании ввоза в Российскую Федерацию
и вывоза из Российской Федерации озоноразрушающих веществ и содержащей их
продукции».
К сожалению, расчеты показывают, что даже при успешном выполнении принятого
графика реализации достигнутых соглашений содержание хлора в атмосфере вернется к
уровню 1986 г. (когда впервые было выявлено антропогенное воздействие на озоновый слой)
только лишь в 2030 г. Причина этого — миграция фреонов, уже попавших в атмосферу из ее
нижних слоев в более высокие и большое время их «жизни» в природных условиях.
2.3 Парниковый эффект и изменения климата
Солнце питает климат Земли, излучая энергию на очень коротких волнах,
преимущественно в видимой или почти видимой (т.е. ультрафиолетовой) области спектра.
Приблизительно треть солнечной энергии, достигающей верхних слоев атмосферы Земли,
непосредственно отражается обратно в космос. Остальные две трети поглощает земная
поверхность и, в меньшей степени, атмосфера. Чтобы уравновесить поглощаемую
поступающую энергию, Земля должна в среднем излучать обратно в космос то же
количество энергии. Поскольку Земля гораздо холоднее Солнца, она излучает энергию на
гораздо более длинных волнах, преимущественно в инфракрасной области спектра. Большая
часть этого теплового излучения, испускаемого сушей и океаном, поглощается атмосферой, в
том числе облаками, и вновь излучается на Землю. Это явление называют парниковым
эффектом. Стеклянные стенки парника уменьшают поток воздуха и повышают температуру
воздуха внутри парника. Аналогичным образом, но при другом физическом процессе
парниковый эффект на Земле нагревает ее поверхность. Без естественного парникового
эффекта средняя температура на поверхности Земли была бы ниже точки замерзания воды.
Таким образом, естественный парниковый эффект Земли делает жизнь, какой мы ее знаем,
возможной. Вместе с тем, деятельность человека, главным образом сжигание ископаемых
видов топлива и сведение лесов, значительно усилила естественный парниковый эффект,
вызвав глобальное потепление.
Два самых распространенных в атмосфере газа, азот (составляющий 78% сухой
атмосферы) и кислород (21%), почти не вызывают парникового эффекта. Последний
является результатом действия молекул, которые более сложны и гораздо менее
распространены. Самый важный парниковый газ – водяной пар, а второй по значению –
углекислый газ (CO2). Метан, закись азота, некоторые другие газы, присутствующие в
атмосфере в небольших количествах, также способствуют парниковому эффекту. Во
влажных экваториальных регионах, где количество водяного пара в воздухе настолько
велико, что парниковый эффект очень значителен, небольшое увеличение количества CO 2
или водяного пара оказывает лишь незначительное прямое воздействие на нисходящее
инфракрасное излучение. В холодных, сухих полярных регионах, напротив, последствия
небольшого увеличения количества CO2 или водяного пара более значительны. То же
касается холодных, сухих верхних слоев атмосферы, где небольшое увеличение содержания
водяного пара сильнее влияет на парниковый эффект, чем вблизи поверхности Земли.
26
На концентрацию парниковых газов в атмосфере влияют несколько компонентов
климатической системы, главным образом океаны и живые существа.
Приведенные ниже данные позволяют сравнить вклад, который вносят естественные
и антропогенные источники в выброс углекислого газа, 109 т в год, в атмосферу.
Фотосинтез растений (чистая продукция)................. —77,61
Фотосинтез растений на суше..................................... —52,86
В том числе фотосинтез в лесах................................... —33,25
Фотосинтез растений в океане .................................. —24,75
Окисление микроорганизмами и животными, лесные
и степные пожары............................................................... +78
Средняя скорость роста атмосферного СО2 за период с 1958
по 1976 гг........................................................................ +2,134
Современная скорость роста атмосферного СО2 ........... +2,3
Выделение СО2 промышленностью................................. +5
Выделение СО2 при уничтожении лесов:..................
оценка по лесохозяйственным данным ФАО.................. +1
оценка по росту культурных земель за 1950—1970 гг.... +1,3
оценка по сгоранию древесины и окислению гумуса ......+1,9
Поглощение СО2 океаном и биосферой ........................ —4
Выделение СО2 вулканами ............................................. +0,04
Средняя за историю Земли скорость накопления
карбонатных осадков ........................................................ -0,01
Современная скорость захоронения углерода в донных
осадках................................................................................. —0,085
Выветривание карбонатных и силикатных пород........... —0,01
Как видно, пока еще естественные источники СО2 преобладают над антропогенными,
однако настораживает увеличение концентрации СО2 в атмосфере (рис. 8), наблюдаемое
особенно в последние десятилетия, причем значительный вклад (соизмеримый с
поглощением СО2 океанами и биосферой) даёт промышленность.
Рис. 8. Изменение концентрации диоксида углерода во времени:
1 — по данным определения СО2 в пузырьках воздуха, содержащихся в образцах льда из
Антарктиды; 2 — измерения в атмосфере, сделанные в последние годы
В индустриальную эпоху деятельность человека способствовала увеличению
выбросов парниковых газов в атмосферу, в основном из-за сжигания ископаемых видов
топлива и сведения лесов. Увеличение выбросов парникового газа, такого как CO2, в
атмосферу усиливает парниковый эффект, нагревая таким образом климат Земли. Степень
потепления зависит от разных механизмов обратной связи. Например, по мере потепления
атмосферы вследствие повышения концентрации парниковых газов растет концентрация
водяного пара в ней, что еще более усиливает парниковый эффект. Это, в свою очередь,
вызывает дальнейшее потепление, что становится причиной нового увеличения
концентрации водяного пара, т.е. имеет место самоусиливающийся цикл. Эта обратная связь
27
по водяному пару может быть достаточно сильной для того, чтобы приблизительно удвоить
интенсивность парникового эффекта за счет одного только увеличения концентрации CO2.
Данные Всемирной метеорологической организации (ВМО) говорят об аномально
быстром росте среднегодовой температуры в последние десятилетия. За всю историю
прямых инструментальных наблюдений никогда не было столь длительного и сильного
потепления. Эти данные охватывают все континенты и океаны и признаются учеными как
совершенно достоверные.
По сравнению с доиндустриальной эпохой, с 1750 годом, концентрация СО2 в
атмосфере выросла на треть: с 280 до 380 млн–1 (то есть на миллион литров воздуха
приходится 380 литров СО2), причем основной рост пришелся на последние десятилетия ХХ
века. Точность измерения концентрации СО2 достаточно велика: ±4%. Еще быстрее растет
концентрация метана, к 2000 году рост составил 151±25%. Тренд еще одного парникового
газа – закиси азота – равен 17±5%1. Такого в последние сотни тысяч лет не было никогда.
По мнению большинства ученых, такого не было в последние 20 миллионов лет.
Средняя температура у поверхности Земли в доиндустриальную эпоху была равна 13,7°С,
без парникового эффекта было бы около –19°С, или на 33°С ниже. Сейчас температура
возросла до 14,5°С.
Воздействие изменений климата на биоту, экономику и человека в настоящее
время и в ближайшем будущем.
Долгосрочное воздействие изменения климата представлены в табл. 3
На начальной стадии глобального потепления в Канаде, России и Скандинавии
изменения климата могут приводить к нетто-положительному эффекту. Улучшаются условия
сельскохозяйственного производства, для развития туризма, меньше случаев болезни и
гибели людей от переохлаждения, меньше топлива расходуется на обогрев. Однако
положительный эффект возможен только до уровня глобального потепления в 2–3°С (что в
северных широтах означает примерно 4–6°С), далее нетто-эффект от изменений климата
сугубо негативный. Вредители, наводнения и засухи приводят к снижению урожайности,
растет число ураганов и ливневых осадков, все больше энергии тратится на охлаждение,
появляются «южные» болезни, дороже становится любая деятельность и жизнь людей в зоне
вечной мерзлоты и т. п.
В более южных странах (а также в южных регионах России) к ущербу ведет уже
нынешнее потепление. Рост ущерба от наводнений и волн жары в Европе – яркий тому
пример. В 2003 году ущерб выразился в 35 тысяч жизней и потери 15 миллиардов долларов
сельскохозяйственной продукции. В Великобритании ущерб от штормов и наводнений
ежегодно составляет 0,1% ВВП, а в ближайшие десятилетия может возрасти до 0,2–0,4%
ВВП. Для США рост скорости ветра в тропических ураганах на 5–10% дает почти удвоение
ежегодных потерь, или около 0,15% ВВП крупнейшей экономики мира. В ближайшие
десятилетия рост потерь от штормов, ураганов, наводнений, засух и волн жары будет расти
со скоростью примерно более 0,1% ВВП. В результате к середине века ежегодные потери
будут составлять 0,5–1% мирового ВВП.
Что касается России, особое внимание необходимо обратить на положение дел в
Арктике и в зоне вечной мерзлоты. В результате резких изменений и нарушения
экологического баланса ухудшатся условия жизни многих животных и растений.
Значительно меняется и сокращается ареал белого медведя. Через 20–40 лет миллионы гусей,
гаг, казарок и других птиц могут потерять до 50% мест гнездования. При потеплении на 3–
4°С среднегодовая численность леммингов может сократиться на 60%, что способно
подорвать всю пищевую цепочку тундровой экосистемы и особенно сказаться на полярных
совах и песцах. Потепление очень заметно по наблюдениям за арктическими льдами в конце
лета, когда их меньше всего. За последние 30 лет их площадь сократилась на 15–20%.
28
Таблица 3. Долгосрочное воздействие изменения климата (согласно докладу
Н.Стерна,2006)
Рост
температуры
Водные
ресурсы
Продовольствие
Здоровье
Суша
Окружающая
среда
Резкие
крупномасштабные
воздействия
10С
Полностью исчезают
небольшие ледники
в Андах, что
вызывает
проблемы в
водоснабжении 50
миллилонов человек
Незначительный рост
урожайности зерновых
в средних широтах
Таяние вечной
мерзлоты
вызывает
повреждение
зданий и дорог на
части территории
Канады и России
Как минимум
10% наземных
видов угрожает
вымирание.
80% коралловых
рифов, включая
Большой
барьерный риф,
обесцвечиваются
Начинается ослабление
термохалинной циркуляции вод Атлантического
океана
20С
На 20-30%
сокращаются
водные ресурсы в
ряде особо
чувствительных
регионов,
например в Южной
Африке и
Средиземноморье
Резкое сокращение
урожаев
сельскохозяйс твенных
культур в тропических
регионах (5-10% в
Африке)
Как минимум,
300 тысяч человек
ежегодно умирают
от болезней,
вызванных
изменением климата
(диарея, малярия,
недоедание).
Сокращается
смертность в зимний
период в высоких
широтах (Северная
Европа, США)
40-60 миллионов
человек
подвергаются риску
заболеть малярией в
Африке
До 10 млн.
человек,
проживающих в
прибрежных
зонах, ежегодно
подвергаются
риску наводнений
30С
Каждые 10 лет в
Южной Европе
происходят
серьёзные засухи..
1-4 миллиарда
человек
вынуждены
сократить
п о тр е б л е н и е
воды, при этом 1-5
миллиардов
проживают в
зонах с риском
наводнений
Под угрозой голода
находится дополнительно 150-550
миллилонов человек.
Урожаи сельскохо зя йс тве нн ы х
культур в высоких
широтах достигают
максимума
От 1 до 3 миплилонов человек
умирает от недоедания
От 1 до 170 миплилонов человек,
проживающих в
прибрежных зонах, ежегодно подвергаются риску
наводнений
Начинается
необратимое таяние
Гренландского
ледового щита,
ускоряется рост уровня
моря, ставя мир перед
вероятностью
повышения уровня на
7 м. Повышающийся
риск резких
изменений в
циркуляции атмосферы,
например изменения в
муссонах. Растущий
риск исчезновения
Западного
Антарктического
ледового щита.
Возрастающий риск
коллапса
термохалинной
циркуляции вод Атлантического океана
40С
Потенциальное
сокращение
водных ресурсов
в Южной
Африке и
Средиземноморье
на 30-50%
На 15-35%
сокращаются урожаи в
Африке. Из
сельскохозяйственногопроизводства юга
исключаются целые
регионы {например часть
Австралии)
В А ф р и к е д о 80
миллилонов человек
подвергаются риску
заболеть малярией
От 70 до 300 миллилоновчеповек,
проживающих в
прибрежных
зонах, ежегодно
подвергаются
риску наводнений
15-40%
наземных видов
угрожает
вымирание.
Высок риск
вымирания
арктических
видов, включая
белого медведя и
северного оленя
20-50%
наземных видов
угрожает вымирание.
Например в
Южной Африке:
•25-60%
мяехопйтаг ющчх,
30-40% ПТИ1*, и
15-70% бабочек.
Начало
исчезновения
Амазонских лесов
{по модельным
расчетам^ /
Гибель
половины
Арктической
тундры. Около
половины особо
охраняемых
природных
территорий не
смогут справляться со
своими
обязанностями
50С
Возможно исчезноввние
крупных ледников
в Гималаях, что
вызовет проблемы
в водоснабжении
четверти
населения Китая
и сотен миллионов
человек в Индии
Продолжающийся рост
кислотности океанов
серьезно угрожает
морским экосистемам и
, возможно, рыбным
ресурсам
Более
50С
Небольшие
острова и
прибрежные
низменности
(Флорида), а
также
крупнейшие
города мира (НьюЙорк, Лондон,
Токио) находятся
.под угрозой
затопления
Ученые предполагают, что средняя глобальная температура в случае продолжения выбросов парниковых газов такими же. темпами, как сейчас,
повысится на величину даже большую, чем 5 или 6°С. Этот рост будет усиливаться за счёт вызванных потеплением эмиссий углекислого газа из почв
и метана из вечной мерзлоты. Такое повышение температуры приведёт к значительным разрушениям и необходимости крупномасштабного
переселения людей. Эти социальные эффекты могут оказаться катастрофическими, однако модели не могут с достаточной точностью описать их,
поскольку у человечества нет опыта жизни в таких температурных условиях
. . .
.
Особенно сильно этот эффект выражен в атлантическом секторе Арктики, где
сокращение достигло 30%. Ожидается, что к концу XXI века площадь льдов будет меньше на
50%. Через 20–30 лет ледовый покров в июле–сентябре сильно сократится, и суда пойдут по
северному морскому пути без ледоколов. При этом площадь льдов зимой будет почти такой
же, как сейчас. К концу XXI века продолжительность навигации через «узкое место» –
пролив Вилькицкого – составит 120 дней (пока это в среднем только 20–30 дней). С другой
стороны, из-за разрушения ледников Северной и Новой Земли появится новая опасность –
29
айсберги. Будут разрушаться ледники Аляски и особенно ледовый щит Гренландии. Таяние
и разрушение льдов Гренландии сейчас наиболее заметно, с 1979 по 2005 год их площадь
сократилась на 20%. По воспоминаниям полярников, в 30-е годы прошлого века льдов тоже
было меньше. Недаром тогда «Челюскиным» была предпринята попытка освоения северного
морского пути без ледоколов. Однако данные показывают, что это был локальный эффект.
Температура на материковых метеостанциях действительно была выше, но общее состояние
Арктики лучше характеризуют льды, они отражают общую картину и на материке, и на
островах, и на полюсе. Никогда в XX веке не было так мало льдов, как сейчас, и никогда они
так быстро не сокращались. Лесотундра будет все сильнее зарастать лесом и продвигаться на
север, оттесняя тундру на арктическое побережье. Если в северной тайге потепление будет
идти также быстро, как и сейчас в среднем в Арктике – на 0,4–0,5°С за десятилетие, то
экосистемы не будут успевать адаптироваться. Это чревато вспышками болезней леса и
распространением вредителей. Сильно осложнится вывоз древесины по зимникам.
Изменения климата негативно повлияют на оленеводство: чаще будут возникать ситуации с
резкими заморозками после весенних оттепелей с образованием ледовой корки, после чего
олени не смогут достать корм из под снега. Возникнут проблемы с перегоном оленей из-за
более позднего ледостава на реках. Например, на Кольском полуострове оленеводы не могут
в декабре пригнать стада в западную часть региона на пункты убоя, в результате это
происходит в феврале, когда мясо животных гораздо хуже. Из-за изменения состояния
грунта (оттаивание вечной мерзлоты, повышение уровня грунтовых вод, подтопление и т. п.)
будут расти нагрузки на различные инженерные сооружения, в том числе и на
трубопроводы. В целом будет сокращаться долговечность зданий, и к 2015 году их придется
ремонтировать на половину срока раньше, чем сегодня. По имеющимся оценкам, более
четверти жилых пятиэтажных зданий 1950–1970-х годов в Якутске, Воркуте и Тикси могут
стать непригодными к эксплуатации уже в ближайшие 10–20 лет. Позднее, например, в
Воркуте, их доля вырастет до 80%. В случае повышения температуры воздуха на 3–4°С к
2050 году площадь вечной мерзлоты сократится на 12–15%. В России южная граница
мерзлоты сместится к северо-востоку на 150–200 км. Глубина летнего протаивания возрастет
на 20–30%. Это может вызвать многочисленные деформации сооружений: нефте- и
газопроводов, гидроэлектростанций, городов и поселков, автомобильных и железных дорог,
аэродромов и портов. Особенно опасно наложение техногенных и климатических факторов,
и это требует тщательного мониторинга ситуации. Еще одним, возможно, самым сильным
глобальным воздействием Арктики на планету может стать эмиссия метана. Сибирские
торфяные болота, образовавшиеся около 11 тысяч лет назад после окончания ледникового
периода, все время производят метан. Он удерживается вечной мерзлотой, а также хранится
в виде метангидратов (в твердой льдообразной форме). Сейчас эти запасы оцениваются как
70 млрд. т метана, что равно примерно четверти от разведанных промышленных запасов
метана. Однако эти миллиарды тонким слоем распределены по гигантской территории, и его
добыча пока не представляется возможной. При таянии мерзлоты метан все сильнее
высвобождается в атмосферу. Совместные исследования Томского и Оксфордского
университетов показали, что в последние годы эмиссия метана ускорилась. Поэтому полное
освобождение запасенных 70 млрд т может занять не тысячи, а лишь сотни лет. Тогда с
учетом того, что по парниковому эффекту метан в 21 раз сильнее СО2, поток метана из
сибирских болот будет равен 10–25% от всего сегодняшнего выброса СО2 мировой
энергетикой (при высвобождении запасов за 400 и 200 лет соответственно). Наличие в
Арктике вне сибирских болот огромных запасов метангидратов, они просто лежат в
многометровой толще мерзлоты, а также на дне океана. Пока эти запасы относительно не
влияют, но потенциально это очень сильный источник положительной обратной связи:
климат – таяние мерзлоты – климат.
Говоря о России, очень важно оценить ущерб от таяния вечной мерзлоты, от жары и
засух в сельскохозяйственных регионах, от наводнений и паводков. По оценке МЧС,
нынешние потери от погодно-климатических явлений составляют 30–60 миллиардов рублей,
30
(0,07–0,15% ВВП), а главный ущерб несут наводнения и дождевые паводки. По прогнозу
Росгидромета, за 2005–2015 годы число опасных гидрометеорологических явлений возрастет
вдвое, то есть в лучшем случае ущерб будет идти в ногу с ростом ВВП, а скорее всего,
значительно его обгонит.
Вероятным последствием изменения климата является возможность увеличения
лесных пожаров. Ожидается, что в ближайшие годы продолжительность засушливого сезона
с повышенной опасностью возникновения пожаров увеличится на 5–7 дней в году. К
середине ХХI века повышение засушливости станет главным эффектом в наиболее
плодородных районах России, падение урожайности зерновых из-за этого может превысить
20% и стать критическим для экономики регионов. Придется проводить ирригацию и
переходить на выращивание более засухоустойчивых культур. К положительным
последствиям изменения климата большинство специалистов относят сокращение
отопительного сезона. В среднем, сокращение составит 3–4 дня в году к 2015 году, а на юге
Камчатки, Сахалина и Приморского края оно достигнет 5 дней. К 2025 году на большей
части территории России отопительный сезон уменьшится на 5%, а в районах крайнего
севера – на 10%, экономия топлива составит 5–10%. В целом к 2050 году экономия топлива и
энергии составит 10–20%. Однако заметим, что энергосбережение и меры по
энергоэффективности дают гораздо больше – до 50% экономии. Кроме этого, все больше
придется использовать кондиционеры, что потребует немалых затрат энергии. Из-за
усиления нестабильности и изменчивости погодных условий будут чаще случаться
неблагоприятные краткосрочные явления – внеурочные периоды аномально теплой и
холодной погоды и заморозков, сильных ветров и снегопадов (как во время отопительного
сезона, так и после его окончания). На этот случай потребуются дополнительные
энергетические мощности и топливо. В целом будет повышаться обеспеченность водой
населения и экономики. Она вырастет на 12–14% к 2015 году, но при этом будет усиливаться
неравномерность ее распределения по территории страны. От этого в большей мере
пострадают густонаселенные районы страны, которые уже сегодня испытывают трудности с
водой. Проведенные в России исследования показывают, что изменение климата
представляет значительную угрозу для здоровья. Как и в других регионах мира, в России
наблюдается движение типично «южных» насекомых – переносчиков опасных для человека
и животных заболеваний – на север. Уже отмечается появление малярийных комаров,
энцефалитных клещей и других опасных переносчиков болезней в новых, ранее не
затронутых регионах. На северо-западе России в последние 20 лет растет число заболеваний
населения клещевым энцефалитом. В целом по России максимальный уровень
заболеваемости клещевым энцефалитом вырос больше чем в полтора раза: с 4,1–4,5 случаев
на 100 тысяч человек в 1950–1960-х годах до 6,8–7,0 случаев на 100 тысяч человек в 1990-х
годах. На Нижней Волге и в других южных регионах в условиях более жаркой и засушливой
погоды будет усиливаться дефицит воды и повысится угроза возникновения вспышек
холеры и болезней, переносимых грызунами. Вероятно увеличение случаев заболевания
лептоспирозом и геморрагической лихорадкой. На всей территории страны ожидается
увеличения числа особо жарких летних дней и продолжительности периодов жары – в 1,1–
1,5 раза к 2015 году. Исследования показали, что в результате повышения температуры в
городах России число дополнительных случаев смерти может составить от 4,0 до 28,8 тысяч
случаев в год.
2.4 Кислотные дожди
При нормальном природном составе воздуха обычная дождевая вода имеет
слабокислую реакцию (рН = 5,5... 5,6), что связано с хорошей растворимостью в ней СО 2 и
образованием слабой угольной кислоты по реакции СО2 + Н2О => Н2СО3 —> HCO- + H+, а
также с присутствием в атмосфере оксидов серы и азота либо хлористого водорода
природного происхождения.
Однако физический захват (прилипание с возможным последующим растворением,
абсорбция или адсорбция) оседающими частицами воды (осадками) различных химических
31
веществ, присутствующих в атмосферном воздухе в избыточном количестве
(преимущественно вследствие антропогенного происхождения), часто приводит к
увеличению кислотности (уменьшению значения водородного показателя рН ниже 5,5), т.е. к
образованию так называемых «кислотных» (или «кислых») осадков — дождя, тумана, росы,
града, снега (рис. 9).
Рисунок 9 – Ориентировочная кислотность дождевой воды и различных веществ,
выраженная в единицах рН
Известен также «синдром кислотных частиц», при котором наблюдается оседание
твердых частиц сульфатов Meх(SO4)y, Meх(HSO4)y или нитратов Me(NO3) y при отсутствии
влаги с дальнейшим их растворением в воде на непосредственно подстилающей поверхности
с образованием кислот.
Основная причина образования и выпадения кислотных осадков (зачастую неточно
называемых «кислотными дождями») — наличие в атмосфере оксидов серы и азота,
хлористого водорода и иных кислотообразующих соединений. Считается, что
преимущественно снижение величины рН вызвано выбросом в атмосферу серосодержащих
загрязнений (~2/3) и соединений, содержащих азот (~1/3). Присутствие в воздухе заметного
количества, например, аммиака или ионов кальция (Са2+) приводит к выпадению не кислых,
а щелочных осадков. Однако их также принято называть кислотными, ибо они имеют
«нестандартную» кислотность и при попадании на почву или в водоем соответственно
меняют кислотность последних приводит к выпадению не кислых, а щелочных осадков.
Однако их также принято называть кислотными, ибо они имеют «нестандартную»
кислотность и при попадании на почву или в водоем соответственно меняют кислотность
последних.
Диоксид серы SO2 образуется в больших количествах при сжигании природных
органических топлив (табл. 4). Среднее время жизни SO2 в атмосфере составляет четверо
суток. В воздухе он подвержен фотохимическим (под действием солнечного света)
превращениям и дальнейшему окислению с образованием триоксида серы SO3, гораздо более
вредного для окружающей природной среды, чем исходный диоксид.
32
Таблица 4. Количество выбросов и источники образования атмосферных соединений серы
Источники
Количество выбросов в
год
млн т
%
Природные:
процессы разрушения биосферы
вулканическая деятельность
поверхность океанов
Антропогенные
ВСЕГО
30—40
29—39
2
2
50—2002
—
60—70
59—69
92—112
100
Соединяясь с парами воды, находящимися в воздухе, SO3 образует серную кислоту
H2SO4. Наибольшая кислотность наблюдается непосредственно после начала выпадения
дождя или снега. В этот момент кислотность может быть значительно выше средней, но в
процессе выпадения происходит самоочищение атмосферы и рН приближается к
нормальному значению.
Считается, что среди кислотных осадков наиболее сильной кислой реакцией
отличаются кислотные туманы. Так, в Гамбурге однажды была зафиксирована кислотность
тумана (рН < 2) более высокая, чем у лимонного сока (рН = 2,3).
Явление «кислотности дождей» было впервые точно описано еще в середине XIX в.
Дж. Смитом, предложившим соответствующий термин по результатам изучения химизма
осадков в районе г. Манчестера (Англия). Во второй половине XX в. пропорционально
растущим количествам выбросов оксидов серы и азота возросла и значимость последствий
кислотных дождей, а в 70—80-е годы в промышленных регионах создалась ситуация,
близкая к экологической катастрофе.
Антропогенные выбросы соединений серы и азота характерны практически для
любого вида индустриальной деятельности, а их абсолютные потоки в конце XX в. стали
сопоставимы с соответствующими геохимическими потоками, иногда даже (на региональном
уровне) превышая их.
Основной источник оксидов серы — современная энергетика (теплоэлектростанции,
работающие прежде всего на угле), а для оксидов азота — также и транспорт. По
существующим оценкам около половины всей серы, поступающей в атмосферу с выбросами
типичной электростанции, удаляется из атмосферы с осадками.
Кислотные осадки ускоряют процессы коррозии металлов, разрушения зданий,
сооружений. Установлено, что в промышленных районах сталь ржавеет в 20 раз, а алюминий
разрушается в 100 раз быстрее, чем в сельских районах. Многочисленны примеры
начавшегося с середины XX в. разрушения памятников истории и культуры, изготовленных
из природных минералов (мрамора, известняка и других, имеющих в своем составе СаСО3 и
MgCO3).
В регионах, где почва и дно водоема содержат значительные количества щелочных
веществ (например, известняка), кислотные осадки не наносят большого вреда, поскольку
нейтрализуются, например в соответствии с уравнением реакции
СаСО3 + 2Н+ => Са2+ + СО2 + Н2О
33
При этом известняк (карбонат кальция — СаСО3) расходуется, выступая в качестве
природного «буфера».
В других регионах, характеризующихся наличием преимущественно гранитов или
иных силикатных пород, неспособных нейтрализовать доминирующие кислотные дожди,
величина рН воды в озерах, реках, а также в лесных и сельскохозяйственных почвах
понижается. Такие геологические условия характерны для маломощных ледниковых почв
Скандинавии, южных районов Канады, северных районов Великобритании, северовосточных областей США.
Кислотные осадки вызывают летальные последствия для жизни в реках и водоемах.
Многие озера Скандинавии и восточной части Северной Америки оказались настолько
закислены, что рыба не может не только нереститься в них, но и просто выжить. В 70-е годы
в половине озер указанных регионов рыба полностью исчезла. Наиболее опасно подкисление
океанических мелководий, ведущее к невозможности размножения многих морских
беспозвоночных животных, что может вызвать разрыв пищевых сетей и глубоко нарушить
экологическое равновесие в Мировом океане.
Тем не менее, кислотные осадки столь вредоносны не для всех озер, а только для тех,
чей водосборный бассейн не обладает способностью к нейтрализации кислотных добавок.
Если подстилающие породы (например, граниты или гнейсы) устойчивы к растворению, то и
озерам характерна «мягкая» вода, а если в подстилающих породах присутствует известняк,
то вода становится «жесткой» (содержащей много солей). Озера последнего типа лучше
«сопротивляются» закислению воды. Наряду с подстилающими породами на
чувствительность озер к кислотным дождям аналогичным образом воздействуют и местные
почвы.
Наибольший ущерб от кислотных осадков наблюдается в лесах с глинистой и
алюмосиликатными почвами, из которых кислые воды вымывают ионы алюминия.
Последние уничтожают полезные почвенные бактерии, через корневую систему поступают в
древесину и далее действуют как клеточные яды. В нормальных (не кислых) естественных
условиях соединения алюминия практически нерастворимы и потому безвредны. По
аналогичной схеме при подкислении среды начинается действие и других токсичных
элементов, в том числе ртути и свинца. Установлено, что кислотные осадки повреждают
растительность. Первоначально снижается продуктивность лесов (прирост биомассы, что
фиксируется по уменьшению размеров годичных колец на срезе ствола), а потом леса
начинают гибнуть. По данным многочисленных наблюдений, наиболее чувствительны
хвойные породы деревьев, хотя, как и для озер, важную роль здесь играют почвы и
подстилающие породы. В 70-е годы и в начале 80-х, когда в Европе было зафиксировано
значительное увеличение кислотности осадков, вызванное сжиганием высокосернистых
углей, леса получили значительные повреждения. В наибольшей степени пострадали леса
ФРГ, Чехословакии, Польши; их деградация отмечена в Австрии, Швейцарии, Швеции,
Голландии, Румынии, Великобритании, Югославии, а также в США.
Тщательные исследования показали, что деградация лесов — результат комплекса
негативных факторов, который, помимо кислотных осадков с последующим изменением
минерального состава почвы, включает:
• засухи, предшествовавшие повреждению деревьев;
• большую высоту над уровнем моря и облачный покров, в который попадали
пострадавшие деревья;
• присутствие серы в листве и озона в атмосфере. Совместное действие
перечисленных абиотических экологических факторов среды обитания лесов привело к
экологической катастрофе в Северном полушарии.
В нашей стране наблюдения за кислотностью и химическим составом атмосферных
осадков ведутся много лет, создана сеть станций экомониторинга федерального и
регионального
34
2.5 Смоги
Запыление и загазованность являются причинами появления различных видов смога
(от англ. smoke – дым + fog – туман). Интенсивный смог вызывает у людей удушье,
обострение лёгочных и сердечно-сосудистых заболеваний, приступы бронхиальной астмы,
аллергические заболевания, раздражение глаз. Смог вызывает повреждение растительности,
гибель домашних животных, повреждение различных зданий, сооружений и скульптур,
способствует коррозии строительных материалов, растрескиванию лакокрасочных
покрытий, резиновых и синтетических изделий. Из-за плохой видимости нарушается работа
транспорта, увеличивается число аварий.
Различают несколько видов смога.
1. Смог ледяной, обусловленный сочетанием газообразных загрязнителей, пылеватых
частиц и кристаллов льда, характерен для северных районов.
2. Смог влажный (лондонского типа) связан с наличием в атмосфере триоксида серы
(серного ангидрида), пылевых частиц и капель водного тумана (в 1952 г., в декабре, за 3-4
дня, такой смог в Лондоне привел к гибели 4 тысяч человек). Можно сопоставить данные о
загазованности в Лондоне в те печально знаменитые дни со значением ПДК = 10 мг/м 3 в
воздухе рабочей зоны для диоксида серы. При таком значении ПДК здоровый
работоспособный человек может трудиться «...ежедневно (кроме выходных) по 8 ч или иное
время (но не более 41 ч в неделю) в течение всего рабочего стажа без заболеваний или
отклонений в состоянии здоровья, обнаруживаемых современными методами исследований в
процессе работы или отдаленные сроки жизни настоящего и последующих поколений»
(таково определение ПДК вредного вещества в воздухе рабочей зоны по ГОСТ 12.1.005-88).
В 1952 г. загрязнение воздуха Лондона от отопительных систем домов в несколько раз
превышало объем загрязнений от промышленных предприятий, развитие которых в
городской черте целенаправленно тормозилось английским законодательством к тому
времени уже более 100 лет. Урок из трагедии 1952 г. был извлечен достаточно быстро. В
1956г. был принят закон о чистоте воздуха, который стал строго соблюдаться, и к 1970 г.
выброс сажи из отопительных систем домов удалось снизить в 13 раз, а из промышленных
установок — в 6 раз. В результате от былых Лондонских туманов не осталось и следа.
Отмечаются случаи, когда в центре города тумана меньше, чем в его окрестностях, хотя
проблема загрязненности оксидами серы сохранилась.
3. Смог фотохимический (сухой, лос-анджелесского типа).
Такой смог формируется в атмосфере под действием солнечного света при отсутствии
ветра и низкой влажности из компонентов, характерных для выхлопных газов автомобилей.
Впервые смог зафиксирован в 1944 г. в Лос-Анджелесе, когда в результате большого
скопления автомобилей была парализована жизнь одного из крупнейших городов США. В
результате фотохимических реакций образуются соединения, вызывающие увядание и
гибель растений, сильно раздражающие слизистые оболочки дыхательных путей и глаз.
Смог Лос-Анджелесского типа усиливает коррозию металлов, разрушение строительных
конструкций, резины и других материалов. Окислительный характер такому смогу придают
озон и другие образующиеся в нем вещества. Исследования, проведенные в 50-х годах в ЛосАнджелесе, показали, что увеличение концентрации озона связано с характерным
изменением относительного содержания NO2 и NO.
2.6 Экологическое нормирование.
Вся сфера экологического нормирования, так или иначе опирается на гигиенические
нормы и использует установленные предельно допустимые концентрации (ПДК) или
предельно допустимые дозы (ПДД) вредных веществ. ПДК — это та наибольшая
концентрация вещества в среде и источниках биологического потребления (воздухе, воде,
почве, пище), которая при более или менее длительном действии на организм — контакте,
вдыхании, приеме внутрь — не оказывает влияния на здоровье и не вызывает отставленных
эффектов (не сказывается на потомстве и т.п.). Поскольку возможный эффект зависит от
35
длительности действия, особенностей обстановки, чувствительности реципиентов и других
обстоятельств, различают ПДК среднесуточные (ПДКсс), максимальные разовые (ПДКмр),
ПДК рабочих зон (ПДКрз). ПДК не являются международным стандартом и могут несколько
различаться в разных странах.
На основании величин ПДК вычисляются значения предельно допустимых эмиссий
— предельно допустимые выбросы в атмосферу (ПДВ), предельно допустимый сброс в
водоемы (ПДС) тех или иных веществ, выделяемых конкретными источниками
(предприятиями) данной территории. При этом учитываются характеристики источников и
условия распространения эмиссий. Например, для того, чтобы в ближайшем к заводским
трубам жилом квартале города при наименее благоприятных условиях рассеяния не
превышались ПДК определенных аэрополлютантов, нужно ограничить выброс этих веществ
постоянной предельной величиной — ПДВ.
ПДУ - максимально допустимый уровень физического воздействия (вибрации,
шума, излучения и т.п.), при котором не возникает прямого или косвенного вредного
воздействия на организм человека.
Тема 3. Антропогенные воздействия и вызванные ими изменения в закрытых водных
объектах и в Мировом океане (гидросфере Земли) (2 часа).
Формирование кислотности и состава поверхностных вод. Эвтрофикация водоемов.
Вода, как и воздух, является количественно неисчерпаемым природным ресурсом, но
человеку и всему живому в биосфере нужна не просто вода как вещество с формулой Н 2О, а
вода определенного качества, т.е. имеющая определенные прозрачность, температуру,
сопутствующие примеси и т.п.
Гидросфера — это естественный фильтр-аккумулятор загрязняющих веществ,
поступающих в окружающую природную среду, что связано с циклом глобального
круговорота воды и с ее универсальной способностью к растворению газов и минеральных
веществ.
По мере развития цивилизации человеку требовалось все больше и больше воды.
Человек каменного века потреблял менее 10 л/сут, в Римском государстве — до 70 л/сут,
современный житель США — около 700 л/сут, тогда как во многих современных
развивающихся странах эта цифра не превышает 30 л/сут. Считается, что уровень
потребления воды характеризует уровень технического и культурного развития общества. На
питье и приготовление пищи человек затрачивает не более 10% потребляемой воды, а в
среднем бытовое потребление в развитых странах составляет 220—320 л/сут.
Среди отраслей экономики нашей страны первое место по потреблению воды
занимает сельское хозяйство. Для получения 1 т пшеницы необходимо 1500 т воды, 1 т риса
— более 7000 т, 1 т хлопка — около 10 000 т. Второе место отводится промышленности. Ни
одно промышленное предприятие не может функционировать, не используя воду из
природных источников. Потребность предприятий в воде изменяется в широких пределах и
зависит от вида получаемой продукции, принятой технологии, системы водоснабжения
(прямоточной или водооборотной), климатических условий и т.п. Так, для получения 1 т
угля затрачивается 2 т воды, стали — 15—20 т, целлюлозы — 400—500 т, синтетического
волокна — 500 м3. Третье месте по водоемкости занимает коммунальное хозяйство городов.
Значительный объем чистой воды затрачивается на разбавление, обеззараживание стоков и
отбросов промышленности, сельского хозяйства, строительства, населенных пунктов и
транспортных путей, т.е. на борьбу с загрязнением гидросферы.
Все перечисленное ведет к дефицитности воды и, как следствие, к планированию ее
расхода не по крупности потребителей, а по необходимости удовлетворения первоочередных
потребителей.
Разнообразие сточных вод принято подразделять на следующие виды:
36
технологические, возникающие в технологических процессах предварительной
мойки, промежуточной или финишной промывки, а также при использовании воды в
качестве технологического растворителя либо носителя;
хозяйственно-бытовые (или коммунальные), образующиеся в жилищно-бытовом
секторе, а также в сфере общественного питания и санитарно-гигиенического обслуживания
на предприятиях;
поверхностные, формирующиеся за счет дождевых и талых снеговых вод, а также
воды при мокрой уборке территорий с искусственными покрытиями (асфальтированными,
бетонными и т. п.).
Кроме химического загрязнения водоемов определенное значение имеют также
механическое, термическое и биологическое загрязнение. Для определения опасности
нарушений поверхностных природных водоемов важен еще и объем безвозвратного
водопотребления. В основе оценки опасности всех видов нарушений лежит общий принцип,
основанный на определении объемов загрязненных стоков (или изъятых вод) и размеров
превышений их нормативных уровней. Опасность i-го нарушения, например химического,
рассчитывается по уравнению:
Di = Vi • · Wi ,
Ni
где Di — величина техногенной опасности для нормального состояния; водоема, выраженная
в тыс.м3 чистой воды, необходимой для устранения опасности — разбавления вредных
стоков;
Vi — объем загрязненного стока, тыс. м3;
Wi — величина нарушения — концентрация максимально опасного загрязнителя в стоке,
мг/л;
Ni — нормативное значение нарушения — ПДК максимально опасного загрязнителя в
водоеме рыбохозяйственного назначения, мг/л.
3.1 Влияние на воды суши
Наибольшее число стоков, загрязняющих поверхностные и грунтовые воды,
образуется в энергетике, сельском и коммунальном хозяйствах. Большую роль в загрязнении
вод играют вещества, выпадающие из атмосферы с осадками. В воды суши и океана
поступают сера и азот в виде соединений H2SO4, HNO3, (NH4)2SO4, NH4NO3. Для
поверхностных вод суши характерно наличие большого количества органических веществ,
поступающих с территории водосборного бассейна. Фосфор в виде соединений попадает в
водоемы с бытовыми сточными водами, причем 20—30% этого количества — из
синтетических моющих средств.
Постоянно увеличивается доля загрязнений, вносимых в водоемы за счет смывов
атмосферными осадками удобрений и пестицидов с полей. Основная трудность в
предотвращении загрязнения сточных вод объектами сельского хозяйства заключается в том,
что поступление биогенных веществ с пашен рассредоточено в пространстве и в
невозможности выделить «источники» и «потоки» загрязнений. Например, даже закрытие
всех промышленных предприятий, расположенных на берегах Ладожского озера, или пуск
на них высокоэффективных очистных сооружений не сможет решить проблему спасения
озера, ибо с сельскохозяйственных угодий в него ежегодно поступает более 86 тыс.т азота и
около 7,2 тыс.т фосфора.
На воды суши ощутимо влияет мелиорация и в первую очередь ее частные виды —
орошение (обводнение) и осушение. Орошение — искусственное увлажнение почвы и
поверхности растений путем подачи воды осуществляется с целью обеспечения растений
влагой, регулирования солевого режима почв. Однако научно не обоснованный отвод
больших объемов воды из природных источников (рек, озер, болот) приводит не только к
изменению уровня грунтовых вод, что вызывает засоление почв и потери их плодородия, но
37
и к обезвоживанию самих природных источников. Так, по прогнозам ученых ряду рек
угрожает судьба в ближайшем будущем не достигнуть своего природного устья, поскольку
их воды по ходу течения будут полностью откачаны на промышленно-бытовые нужды.
Подобный процесс послужил, в частности, причиной истощения водных запасов
Аральского моря. Если до 60-х годов прошлого века приток воды в Аральское море
уравновешивал испарение (около 65 км3/г), то в начале 90-х годов он стал менее 20 км3/г. В
результате уровень воды по сравнению с 1957 г. понизился на 14 м и более. Площадь Арала
уменьшилась с 66,5 до 36 тыс. км2, а объем воды с 1000 до 320 км3. Ныне осушенное бывшее
дно моря представляет собой пустыню. Пыльные и солевые бури, возникающие время от
времени, разносят песок и соль на сотни и тысячи километров, снижая плодородие земель.
Вода, непосредственно участвующая в технологическом цикле предприятий,
насыщается различными химическими соединениями и взвесями. Состав стоков зависит от
вида производства, исходного сырья и вспомогательных материалов, технического
совершенства применяемой аппаратуры и точности соблюдения технологического
регламента. Многообразие и непостоянство состава технологических сточных вод
характерно для многих предприятий.
Кроме того, вода природных источников, потребляемая предприятиями
промышленности и особенно энергетики, используется в значительных количествах в
качестве хладагента. Сброс подогретых вод обратно в водоем меняет его биоценоз, вызывает
цветение воды.
Основные химические загрязнители, поступающие в водоемы суши с промышленных
предприятий, принято делить на три группы:
• неразлагающиеся или очень медленно разлагающиеся в природной среде вещества, в том
числе ионы металлов, минеральные соли, углеводороды нефти и т. п.;
• водорастворимые вещества, не вовлекаемые в биологический круговорот, в том числе
токсичные;
• легкоусвояемые органические соединения (биогенные вещества).
3.2 Влияние на Мировой океан
Антропогенная нагрузка на воды Мирового океана в последние десятилетия
значительно увеличилась. В результате резко ухудшилось качество морской воды, нанесен
ущерб биологическим ресурсам океана, увеличилась опасность для здоровья людей (табл. 5).
Основные причины загрязнения вод морей и океанов следующие:
• сброс промышленных и хозяйственно-бытовых сточных вод в моря или реки, в них
впадающие;
• поступление с суши стоков, содержащих вещества, применяемые в сельском и лесном
хозяйствах;
• захоронение на морском дне загрязняющих веществ (радиоактивные отходы и т. п.);
• разнообразные утечки с судов морского транспорта;
• аварийные выбросы и сбросы судов, а также из подводных трубопроводов;
• добыча полезных ископаемых на морском дне;
• выпадение загрязняющих веществ с осадками из атмосферы.
Таблица 5. Наиболее распространенные токсичные компоненты крупномасштабного
загрязнения Мирового океана (по Патину)
Загрязняющие вещества
Степень
биологи- Масштаб
ческой опасности
пространения
Радионуклиды (тритий, строн-ций-90, Сильная
цезий-137, церий-144, плутоний-238)
Хлорорганические токсичные:
38
Глобальный
рас-
ДДТ и его метаболиты
Сильная
Глобальный
полихлорированные бифенилы
Сильная
Глобальный
альдрин
Сильная
Глобальный
дильдрин
Сильная
Локальный
метилртуть, ртуть
Сильная
Глобальный
кадмий, свинец
Слабая
Глобальный
цинк
Значительная
Локальный
медь
Значительная
Региональный
хром
Слабая
Локальный
мышьяк
Слабая
Региональный
железо, марганец
Незначительная
Локальный
Нефть и нефтепродукты
Значительная
Глобальный
Металлы и их соединения:
Детергенты
(поверхностно-активные Неопределенная
синтетические вещества, использу-емые в
составе моющих средств и эмульгаторов, с
трудом
подвергают-ся
разложению
микроорганизмами)
Региональный
Помимо перечисленного в Мировой океан поступает большое количество взвешенных
частиц. В нем обнаруживаются все новые и новые загрязняющие вещества антропогенного
происхождения. Доля антропогенного поступления в суммарном поступлении свинца в
океан составляет 92, нефти — 88, хлорированных углеводородов — 100%. Особенно опасны
для биоценоза океана хлорорганические соединения, обладающие токсическим и
канцерогенным действием. Прибрежные зоны океана подвержены процессу эвтрофикации и
микробиологическому загрязнению воды в первую очередь из-за хозяйственно-бытовых
стоков. Неуклонно возрастает поступление в океан нефти и нефтепродуктов.
По расчетам специалистов после 1945 г. в среднем ежегодно в океан с судов сливается
не менее 2,5 млн м3 нефтепродуктов. При этом всего лишь 1 т нефти способна образовать на
поверхности воды мономолекулярную пленку на площади до 12 км2.
В океан не только сливают все стоки, но и сбрасывают большое количество твердых
отходов. Наиболее опасны контейнеры с высокоактивными отходами атомной
промышленности, содержащими трансурановые элементы, которые могут оставаться опасно
радиоактивными еще несколько тысяч лет. В начале 80-х годов XX в. на дно океана в
специальных контейнерах опускалось ежегодно около 7 тыс. т радиоактивных отходов.
В водах морей и океанов проводится также захоронение опасных ядохимикатов. Так,
в начале 30-х годов прошлого века в Балтийском море в цементных контейнерах захоронено
7 тыс. т мышьяка. Такого количества мышьяка хватит для того, чтобы отравить все
население планеты. В наше время уже отмечается нарушение герметичности контейнеров и
утечка ядохимикатов.
Степень загрязнения морской воды принято характеризовать классом качества с 1 по
7 с соответствующей оценкой от «очень чистая» до «чрезвычайно грязная». Морские воды
Черноморского побережья от Анапы до Сочи характеризуются как «загрязненные» (IV
класс) и «умеренно загрязненные» (III класс). Воды восточной части Финского залива
Балтийского моря относятся к «грязным» (V класс) и «очень грязным» (VI класс). В
Арктических и Тихоокеанских морях наблюдаются локальные загрязнения вблизи крупных
портовых городов, а также в устьях рек. Во многих морях превышены ПДК нефтяных
39
углеводородов, фенолов, аммонийного азота, пестицидов, СПАВ, ртути. Особую
озабоченность вызывает захоронение радиоактивных отходов в северных морях.
Загрязнение человеком гидросферы, в том числе Мирового океана, заключается не
только в сбросе сточных вод. Человек вносит изменения в гидрологический и
гидрохимический сток в целом, вмешивается в естественный круговорот веществ, меняет
качество воды.
3.3 Эвтрофикация водоемов
Замечательной особенностью водных экосистем является их способность к
самоочищению и установлению биологического равновесия. Оно происходит в результате
совокупного действия физических, химических и биологических факторов. К физическим
факторам относятся интенсивное течение рек, обеспечивающее хорошее перемешивание и
снижение концентраций взвешенных частиц, оседание нерастворимых осадков, воздействие
ультрафиолетового излучения солнца и др. Из химических факторов следует выделить
окисление органических и неорганических веществ. Решающую роль в самоочищении
водоемов играют водные биоценозы. Водные организмы сообща обеспечивают через
трофические связи многоступенчатую минерализацию органики и перевод ее в донные
отложения. От процесса самоочищения зависит постепенное восстановление
биоразнообразия организмов вниз по течению реки от точки сброса загрязненных сточных
вод.
Однако способность водоемов к самоочищению не безгранична. При определенном
уровне загрязнения, особенно при аварийных, залповых сбросах неочищенных стоков, может
быть погублена вся биота водоема. Техногенное загрязнение рек и озер принимает такие
масштабы, что во многих регионах превышает их способности к самоочищению. Из-за
неэффективной очистки сточных вод значительная часть питательных элементов — азота,
фосфора — попадает в водоемы. Большое количество почвы, органики и минеральных
удобрений смывается в водные объекты с сельскохозяйственных территорий во время
половодья и после сильных дождей. Чрезмерное обогащение водоемов биогенами приводит
к их эвтрофикации, т.е. резкому повышению биопродуктивности и массовому размножению
фитопланктона, в первую очередь неприхотливых сине-зеленых водорослей. От недостатка
кислорода, в первую очередь, страдают высокоорганизованные обитатели водоёмов –
возникают заморы рыб. «Цветение» воды и постепенное отмирание массы водорослей
становятся источником вторичного загрязнения, приводят к расходованию всех запасов
кислорода и медленному «умиранию водоема». Таким образом, антропогенная эвтрофикация
вызывается не ядовитыми загрязнениями, а тем, что всегда считалось безвредным частицами почвы и удобрениями. Это еще раз подтверждает вывод о том, что сильное
изменение любого природного фактора может нарушить равновесие экосистемы.
Надо отметить, что в природе эвтрофикация является естественным процессом
«старения» озёр. За несколько тысяч лет озеро может измениться естественным путем и
превратиться из олиотрофного в эвтрофное.
Олиготрофные озера (от греч. oligos — незначительный бедный, trophe — питание,
пища). Их воды бедны минеральным азотом и особенно фосфором, встречающимся в виде
следов. Благодаря низкой плотности биоценоза в воде присутствует много кислорода, а
содержание СО2 невелико, вследствие чего, в частности, отмечается нерастворимость
соединений железа. Вода прозрачная, синего или зеленого цвета. К такому типу относят
глубокие озера с песчаными берегами.
Кислород из атмосферы растворяется в воде крайне медленно. Следовательно,
бентосные растения не только обеспечивают пищу и убежище водным животным, но и
поддерживают необходимую концентрацию растворенного О2 на глубине, выделяя его
непосредственно в воду. В результате в водоеме, обедненном питательными элементами,
может существовать богатый, разнообразный биоценоз из рыб, моллюсков и бентос-ных
растений, которыми они питаются.
40
Эвтрофные озера (от греч. еu— хорошо). Их воды богаты азотом и фосфором.
Обилие организмов ведет к истощению кислорода в глубинных слоях во время фаз застоя
(рис. 10). Вода малопрозрачная, от зеленовато-коричневой до коричневой. Для таких озер
характерны небольшие глубины, благоприятствующие образованию широких поясов
прибрежной растительности.
Рисунок - 10 Вертикальное изменение концентрации кислорода при одинаковой
температуре в озерах (по Р. Смиту): а — олиготрофных; б — эвтрофных
Обогащение биогенами происходит следующим образом. При эрозии и
выщелачивании водоём постепенно заполняется наносами и обогащается биогенами,
накопление которых способствует развитию фитопланктона, а значит, помутнению воды и
затенению бентосной растительности. Кислород, выделяемый планктоном при фотосинтезе,
перенасыщает верхний слой воды и улетучивается с ее поверхности. В ясный день легко
видеть, как из скоплений нитчатых водорослей всплывают пузырьки кислорода.
Жизненный цикл фитопланктона очень короток. Его быстрое размножение
компенсируется отмиранием, ведущим к накоплению детрита. Отмерший фитопланктон
поступает в глубинную зону, где им питаются редуценты, также потребляющие кислород и
снижающие его концентрацию в воде. Когда растворенного кислорода не остается, бактерииредуценты выживают за счет анаэробного брожения, и так может продолжаться до тех пор,
пока есть детрит для питания.
Таким образом, у поверхности количество растворенного кислорода может быть
очень высоким из-за фотосинтеза фитопланктона, а на глубине его запасы истощаются
редуцентами (рис. 10).
«Дождь» фитопланктона переносит усвоенные им биогенные элементы на дно, где по
мере разложения детрита они вновь высвобождаются. Восходящие конвективные потоки
возвращают биогены к поверхности, и описанный процесс повторяется многократно.
Результатом является помутнение воды, гибель бентосных растений, снижение
концентрации растворенного кислорода, недостаток его для глубоководных рыб и
моллюсков. Эвтрофикация может происходить даже в медленно текущих пресных водах.
Чем больше органических веществ поступает в озеро, тем больше требуется кислорода для
перевода их в неорганические соединения.
Эвтрофикация представляет собой смену богатой экосистемы, основанной на
бентосной растительности, на простую, основанную на фитопланктоне. В геологических
масштабах времени водоемы постоянно обогащаются биогенами и заполняются
поступающими с суши наносами. За многие столетия в озере накапливаются ил и детрит,
постепенно заполняющие первоначально глубокую чашу озера. Однако антропогенная
деятельность приводит к аналогичным последствиям всего за несколько десятилетий. С этой
проблемой столкнулись многие страны, в первую очередь высокоразвитые. «Цветением»
воды в результате массового развития сине-зеленых водорослей были охвачены озера,
водохранилища, участки внутренних морей. Оно было зарегистрировано в озерах
41
Цюрихском (Швейцария), Балатон (Венгрия), в оз. Байкал и оз. Севан, оз. Чад (Африка),
Великих Озерах (США) и др. «Цветением» были охвачены Азовское море и отдельные
участки Черного моря.
Антропогенная эвтрофикация водоемов одна из экологических проблем XX в., но
само это явление существовало всегда. Наличию залежей угля, нефти, горючих сланцев мы
обязаны процессам эвтрофикации, протекавшим на нашей планете в далеком прошлом.
Тема 4. Антропогенные воздействия и вызванные ими изменения на почве и в
верхнем слое земной коры (2 часа).
Эрозия почв и изменения их плодородия. Закисление и засоление почв. Разработка
недр. Ее воздействие на физико-химические процессы, происходящие в верхнем слое земной
коры.
4.1 Эрозия почв и изменения их плодородия. Закисление и засоление почв.
Человек интенсивно воздействует на верхнюю часть твердой оболочки Земли.
Преимущественно это воздействие приходится на верхний плодородный слой литосферы —
почву, благодаря которой человечество удовлетворяет основную часть своих потребностей в
продуктах питания. Плодородные земли относятся к условно возобновимым ресурсам,
однако время, необходимое для их восстановления, т.е. формирования плодородного слоя,
достаточного для сельскохозяйственного использования, может исчисляться сотнями или
даже тысячами лет. При нормальных природных условиях 1 см толщины плодородной почвы
образуется за 125—400 лет. Процесс значительно ускоряется при оптимальной агротехнике,
но даже в этих условиях для создания 1 см плодородного слоя требуется не менее 40 лет.
На нашей планете в качестве пашни обрабатывается около 10% суши. В начале
нового тысячелетия человечество, вероятно, приблизится к полной реализации всех
потенциальных земельных ресурсов. Почти вся площадь, используемая под
сельскохозяйственные культуры, освоена с давних времен. Несмотря на огромные усилия
человечества, рост площадей возделываемых земель низок, и обеспеченность ими на душу
населения постоянно снижается.
Стремясь повысить урожаи выращиваемых культур, человек широко применяет
удобрения, пестициды, строит оросительные и осушительные системы. При этом вносятся
существенные антропогенные помехи в биогеохимические круговороты биогенных
элементов.
Основное условие формирования высоких урожаев — наличие в почве питательных
элементов в доступных формах и в должном соотношении. Основными биогенными
элементами являются углерод, азот, фосфор, калий и т. д. (вернее их соединения).
Естественные биоценозы — это устойчивые саморегулирующиеся системы, тогда как
агробиоценозы — это системы с разрушенными обратными связями, которые могут
существовать только при целенаправленной регулирующей деятельности человека.
Интенсификация сельскохозяйственной деятельности человека и прежде всего
химизация вызывают изменения в устоявшихся процессах превращения веществ и энергии в
природе. Значительные потери веществ, например азота, происходят в результате их
улетучивания из почвы и вымывания. К началу нового тысячелетия ожидаемые на планете
потери азота, входящего в состав удобрений, составили более 40 млн т/г. Обогащение
биосферы азотом за счет удобрений опасно, так как это ведет к накоплению токсичных
азотсодержащих органических соединений.
К канцерогенным соединениям, появление которых обусловлено неправильной
химизацией сельского хозяйства, относятся n-нитрозосоединения. Как правило, они
вызывают образование злокачественных опухолей печени, желудка, легких и других
органов, обладают мутагенным и эмбриотоксическим действиями. n-Нитрозосоединения
R1R2N—NO2 могут образовываться в содержимом желудка человека, если в него
42
одновременно попадают нитрит NO2 и вторичный амин R1R2NH. Образование этих
соединений происходит при участии различных микроорганизмов.
Для земледелия особенно важен баланс фосфора в экологических системах. Фосфор
— важнейший биогенный элемент, и его дефицит резко снижает продуктивность растений.
Фосфор не имеет естественных источников пополнения запаса в почве. Восполнение потерь
возможно только путем внесения фосфорных и органических удобрений. В круговорот
фосфора в биосфере вовлечены почва, вода и растения.
Потери фосфора в экосистемах происходят в результате изъятия его с урожаем и за
счет эрозии почвы.
Подкисление почв, вызываемое выпадением кислотных осадков, переводит фосфор
в формы, недоступные для растений.
Высокое естественное содержание калия в почвах обычно не лимитирует урожаи,
однако в ряде природных зон повышенные дозы азота и фосфора на сельскохозяйственных
угодьях приводят к отрицательному балансу калия.
Сегодня человечество уже не может использовать экстенсивный путь развития
сельского хозяйства, в то же время интенсивный путь, основанный на поддержании и
повышении плодородия почв, связан с обязательным применением удобрений. Однако при
нарушении технологии использования удобрений их неблагоприятное воздействие на
окружающую природную среду многосторонне сказывается на различных компонентах
биосферы. При этом может происходить:
• нарушение круговорота и баланса питательных веществ, снижение плодородия
почв;
• снижение урожаев сельскохозяйственных культур и качества продуктов;
• развитие грибковых и других заболеваний растений, рост сорняков из-за
нарушения соотношения макро- и микроэлементов в почве;
• попадание питательных элементов удобрений и почвы со стоками в грунтовые
воды, а далее в поверхностные водоемы, что вызывает их эвтрофикацию;
• проникновение в стратосферу оксидов азота, образующихся при денитрификации
азотных соединений почвы и удобрений, способствует разрушению озонового слоя.
Одним из видов антропогенного воздействия на почву является усиление
(ускорение) 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 учета рельефа, сведения лесов, непроведения
противоэрозионных агрохимических мероприятий.
В зависимости от причин возникновения этого процесса различают ветровую,
водную и техногенную эрозию. Водная эрозия может быть плоскостной, при которой
разрушается поверхностный слой почвы, и линейной, вызывающей процесс разрушения
почвенного профиля в глубину и почвообразующих пород. Борьбе с эрозией почв
способствует безотвальная обработка земли, контурная и полосная вспашки, террасирование,
создание ветрозащитных полос.
Ущерб плодородию почв наносят нерегулируемые ливневые осадки и паводки,
ненормированный выпас скота, распашка целинных и залежных земель, проводимая без
учета возможной эрозии. В сельском хозяйстве США площадь эрозированных земель
составляет около 40% всей пашни. За год с сельскохозяйственных угодий только вода уносит
почти 3 млрд. т. плодородной земли. Большая часть унесенного слоя оседает в реках, озерах
и искусственных водоемах, что наносит ущерб водным биоценозам. Большие территории
ранее плодородных целинных земель, освоенные под пашню, становятся бесплодными из-за
неправильной обработки. Оставаясь лишенными на длительное время какой-либо
растительности, эти земли оголены ветрами, унесшими верхний гумусовый слой.
43
Превратились в пустыню обработанные в 30-х годах XX в. большие территории в Техасе
(США), часть целинных земель Казахстана.
Усилению эрозии почвы, обмелению рек и озер способствует вырубка лесов.
Средняя скорость сведения лесов в Юго-Восточной Азии составляет 7,1 млн га/г., в США —
2,8 млн га/г. Так, на северо-востоке Индии у отрогов Гималаев расположено местечко
Черапунджи, где ежегодный уровень выпадения осадков составляет до 9150 мм. Ныне над
этим «влажным царством» нависла угроза недостатка влаги и даже превращения его в
пустыню. Причина — активная вырубка лесов, продолжающаяся уже 25 лет. В результате
сведения лесов почва, лишенная растительного покрова, слабо поглощает осадки, и в сезон
дождей плодородный слой легко вымывается. Известняки, наиболее распространенная в
Черапунджи геологическая порода, оголяются и подвергаются растворению кислыми
дождями. В результате образуются карстовые провалы, активно поглощающие воду.
В ряде стран сокращение земель, используемых в сельском хозяйстве, происходит
из-за чрезмерного выпаса скота: в Аргентине и Чили из-за этого выведено из использования
свыше 100 млн га некогда обрабатываемых земель. Выпас скота привел в негодность
пастбища и способствует продвижению пустынь в Ираке, Сирии, Индии.
Значительно снижает плодородие почв их засоление — повышение содержания
легкорастворимых солей. Оно может быть вызвано, например, привнесением солей
грунтовыми и поверхностными водами. Наиболее часто засоление вызывается
нерациональной системой орошения земель. Почвы считаются засоленными при содержании
в них более 0,1% по массе солей, токсичных для растений. Высок процент засоления почв
районов древнего орошаемого земледелия: в долине Нила засолено более 80% земель, в
долине реки Инд — около 67%. Засолению почвы на больших площадях способствует
строительство водохранилищ, вызывающее повышение уровня грунтовых вод.
Значительное
загрязнение
плодородного
слоя
почвы
и
отчуждение
сельскохозяйственных земель вызывает складирование и (или) захоронение промышленных
и бытовых твердых отходов. Основная масса твердых отходов образуется на предприятиях
следующих отраслей:
• горной и горно-химической промышленности (отвалы, шлаки, «хвосты»);
• черной и цветной металлургии (шлаки, шламы, пыль и т. д.);
• металлообрабатывающих отраслей (отходы, стружка, бракованные изделия);
• лесной и деревообрабатывающей промышленности (отходы лесозаготовки,
опилки, стружка);
• энергетической — тепловые электростанции (зола, шлаки);
• химической и смежных отраслей промышленности (шламы, фосфогипс, шлаки,
стеклобой, пластмассы, резина и т. п.);
• пищевой промышленности (кости, шерсть и т. п.);
• легкой и текстильной промышленности.
Накопление значительного количества твердых отходов во многих отраслях
обусловлено существующим уровнем промышленных технологий, не предусматривающих
комплексной переработки сырья. Многие технологии предусматривают использование не
более 8—10% сырья, а некоторые даже менее 1% от добытого. Все остальное поступает в
отходы или отвалы. Помимо того что промышленные отходы занимают значительную
территорию, они служат источником химического загрязнения почвы, гидросферы и
атмосферы. Стекающие с гор отвалов атмосферные осадки преимущественно загрязнены
химически активными и вредными для биосферы веществами. Это ведет к формированию
вокруг отвалов и хранилищ зараженных зон. Загрязняющие вещества попадают в грунтовые
воды и поверхностные водоемы. В сухую погоду отвалы пылят, а отвалы угольных шахт
даже самовозгораются, что загрязняет атмосферу. К твердым отходам также относится
обезвоженный активный ил, образующийся на очистных сооружениях промышленных
предприятий и городов. Ежегодное потребление минерального сырья в мире составляет
более 100 млрд т. В результате столь интенсивного использования недр Земли облик
44
планеты сильно изменился. В промышленно развитых районах сформировался
антропогенный ландшафт, значительно отличающийся от природного. Это привело к
существенному изменению (упрощению) биоценозов, свойственных таким районам.
Для обезвреживания наиболее токсичных неутилизируемых твердых и жидких
отходов промышленности, содержащих хром, кадмий, свинец, ртуть, цианистые соединения,
пестициды, отработанные катализаторы и т.п., производят их захоронение на специально
оборудованных полигонах.
Проблема утилизации твердых бытовых отходов — одна из острейших
экологических проблем.
4.2 Разработка недр. Ее воздействие на физико-химические процессы,
происходящие в верхнем слое земной коры.
Человек начал осваивать ресурсы недр уже 30—40 тыс. лет назад. Степень и характер
освоения человеком ресурсов недр нашли отражение и в наименовании соответствующих
периодов в истории человечества: каменный, бронзовый, железный века. В древние века,
наряду с бронзой, а во II тысячелетии до н. э. и железом, начали широко использоваться в
хозяйстве до 19 химических элементов (серебро, золото и др.). В XVIII в. их число возросло
до 28, в XIX в.— до 50, а в настоящее время используется более 80 химических элементов. В
результате длительного многовекового процесса извлечения минеральных ресурсов из
земельных недр в горнодобывающей промышленности накопилось немало проблем,
связанных с природопользованием в этой сфере. Основными являются: истощение
минеральных ресурсов путем изъятия, потерь, некомплексного использования ресурсов;
образование огромных масс отходов, загрязняющих окружающую среду; нарушение
поверхностных слоев литосферы.
Минеральные ресурсы относятся к исчерпаемым видам природных ресурсов, поэтому
их общие запасы сокращаются. Этому способствует также экстенсивное использование
ресурсов, проявляющееся в увеличении объемов их добычи за счет освоения новых и новых
месторождений. Освоение велось избирательно: в первую очередь разрабатывались богатые,
удобно расположенные для производства месторождения. В результате произошло
истощение месторождений на территории староосвоенной части региона и возникла
необходимость эксплуатации труднодоступных, удаленных источников.
Потери
минеральных
ресурсов
происходят
при
добыче,
обогащении,
транспортировке, переработке. Из-за несовершенной техники и технологии в недрах
остаются значительные запасы минерального сырья: нефти, угля, металлов, сгорает в
факелах огромное количество попутных газов. При извлечении металлов из уже
обогащенных руд потери составляют: при переработке меди—6%, никеля —15%, кобальта—
52%.
Многочисленны отходы при добыче полезных ископаемых карьерным или шахтным
способами. Они идут в отвалы, терриконы и занимают огромные территории в сотни тысяч
гектаров. Чтобы, например, получить тонну цветного металла, надо переработать в среднем
100—200 т руды. Ежегодно эта отрасль дает 1,5 млрд. т отходов. Колоссальные объемы
горной массы часто занимают плодородные земли (КМА), нарушают равновесие
поверхностных слоев литосферы. Под их тяжестью начинается опускание или вспучивание
земли, которое может привести к нарушению режима подземных вод, их самоизлиянию и
заболачиванию значительных площадей.
Результатом шахтной добычи являются многокилометровые подземные пустоты и
галереи, сравнимые с горными ущельями. Они приводят к опусканию больших площадей
земной поверхности, просадке грунта, его смещению и деформации. В ряде случаев породы,
попадающие в отвалы, представляют собой не нейтральный грунт, а содержат немалое
количество очень вредных соединений. Они, выделяясь, загрязняют воздух, почву, воды.
Сульфидные рудные отвалы, например, выщелачиваясь, высвобождают кадмий и
мышьяк. Мышьяк угнетает рост растений, а в более высоких концентрациях становится
причиной их гибели. Он, как и кадмий, очень опасен для человека, даже в незначительных
45
количествах. Страшны ртутные отходы, поражающие центральную нервную систему и
вызывающие многие серьезные заболевания.
Для
восстановления
нарушенных
ландшафтов
необходимо
проведение
рекультивации.
Литература
1. Небел Б. Наука об окружающей среде: Как устроен мир: В 2 т. - М.:Мир, 1993.
2. Одум Ю. Экология: В 2 т. - М.: Мир, 1986.
3. Реймерс Н. Ф. Охрана природы и окружающей человека Среды: Словарь-справочник . М.:Просвещение, 1992. - 320 с.
4. Стадницкий Г. В., Родионов А. И. Экология.- М.: Высш. шк., 1988. - 272 с.
5. Захаров Е.И., Качурин Н.М., Панферова И.В. Основы общей экологии:Учеб. пособие. Тула: ТулГТУ, 1992. - 96 с.
6. Российская экологическая газета "Зеленый мир".
7.Трифонова Т.А.,Селиванова Н.В., Мищенко Н.В. Прикладная экология:Учеб.пособие.М.:Акад.проект;Гаудеамус,2007.-384.с.
8.Басов В.М. Задачи по экологии : учеб.пособие.-М.:Книж.дом «Либроком»,2009,-160с.
46
