ЭКОЛОГИЯ А. В. ХОЛОПЦЕВ

СЕВАСТОПОЛЬСКАЯ МОРСКАЯ АКАДЕМИЯ
«SEBASTOPOL MARITIMY ACADEMY»
А. В. ХОЛОПЦЕВ
ЭКОЛОГИЯ
Курс лекций и материалы для самостоятельной работы
студентов специальности 26.05.06. «Эксплуатация судовых
энергетических установок»
26.05.07 «Эксплуатация судового электромеханического
оборудования и средств автоматики»
Очная и заочная формы обучения
Учебное пособие
Севастополь
2014
УДК94(47)
ББК
П
Утверждено на заседании Ученого совета Севастопольской морской
академии, протокол № ___ от ___ августа 2014 г.
Автор: Холопцев Александр Вадимович, профессор, д. геогр. н., профессор
кафедры «Судовождения и безопасности мореплавания» АНОО ВО
«Севастопольская морская академия».
Рецензенты: Больших Александр Вячеславович, к.в.н., доцент кафедры,
Декан факультета Судоводения АНОО ВО «Севастопольская
мрпская академия»
Галий Валерий Анатольевич, с.н.с.,
доцент,
к.т.н.,
заведующий кафедрой Технических средств судовождения АНОО ВО
«Севастопольская морская академия»
Холопцев А. В. Экология. Курс лекций и материалы для
самостоятельной работы для студентов специальности «Судовождение»:
учебное пособие/ СМА. – Севастополь, 2013. -300с.:илл.
В учебном пособии изложен курс лекций и материалы для самостоятельной проработки
по
дисциплине «Экология», для студентов очной и заочной форм обучения
специальности 26.05.06. «Эксплуатация судовых энергетических установок», 26.05.07
«Эксплуатация судового электромеханического оборудования и средств автоматики»,
образовательно-квалификационного уровня «специалист», являющейся базовой (
нормативной). В пособии представлены тексты лекций, материалы для самостоятельной
работы студентов, а также вопросы для контроля знаний по всем темам, вошедшим в
Рабочую учебную программу данной дисциплины. Пособие может быть использовано
студентами факультета Судовождения Севастопольской морской академии для
самостоятельной работы, подготовки к лекционным и практическим занятиям по учебной
дисциплине «Экология».
А.В.Холопцев, 2014
2
ВВЕДЕНИЕ
Экология (Э) – нормативная учебная дисциплина, преподаваемая
студентам очной и заочной формы обучения по специальности
«Судовождение», в Севастопольской морской академии. В изучаемом курсе
Э , который относится к циклу естественнонаучных и математических
дисциплин, рассматриваются особенности взаимодействия живой и неживой
природы нашей планеты, влияние на него техногенных факторов а также
меры по снижению подобного влияния со стороны судоходства,
предусмотренные международной конвенцией МАРПОЛ.
Курс «Э» является базовым для подготовки помощника капитана. Студент,
приступающий к изучению данного курса, для освоения материала дисциплины
«Экология», должен знать, понимать и уметь применять знания, полученные
при изучении
дисциплин «Физика», «География водных путей»,
«Гидрометеорологическое обеспечение судовождения» разделы физической
и экономической географии в объеме, изучаемом в средней школе.
Дисциплина «Э» является базовой естественнонаучной дисциплиной
для подготовки специалиста-судоводителя по курсу «Безопасность
судоходства», «Навигация и лоция», «Организация службы на морских
судах». Для освоения дисциплины обучающийся также должен быть
способен самостоятельно пользоваться с компьютером и интернетом как
источниками экологической информации.
Цель дисциплины Экология : формирование у студентов знаний,
умений и навыков в области экологии, охраны окружающей среды и
рационального природопользования.
Основными задачами при освоении курса являются:
 освоение понятийного аппарата экологии;
 приобретение знаний о факторах, определяющих устойчивость
экосистем и биосферы в целом, особенностях воздействия на
природу антропогенных факторов, принципах рационального
природопользования,
методах
снижения
хозяйственного
воздействия на биосферу, организационных и праврвых средствах
охраны окружающей среды, способах достижения устойчивого
развития;
 привитие навыков оценки антропогенного воздействия на
окружающую среду с учетом специфики природно-климатических
условий;
В результате изучения дисциплины студент должен:
Знать: -факторы, определяющие устойчивость биосферы;
-характеристики возрастания антропогенного воздействия на природу;
-принципы рационального природопользования;
-методы снижения хозяйственного воздействия на биосферу;
-организационные и правовые средства охраны окружающей среды;
-способы достижения устойчивого развития.
Уметь:
-осуществлять в общем виде оценку антропогенного воздействия на
окружающую среду с учетом специфики природно-климатических условий;
-грамотно реализовывать нормативно-правовые
экологической документацией.
акты
при
работе
с
Владеть:
-методами выбора рационального способа снижения воздействия на
окружающую среду.
Объем учебной дисциплины и виды учебной работы
Вид учебной работы
Объем часов
Максимальная учебная нагрузка (всего)
72
Обязательная аудиторная учебная нагрузка (всего)
34
в том числе: лекции
17
практические занятия
17
курсовая работа (проект) (если предусмотрено)
-
Самостоятельная работа обучающегося (всего)
38
в том числе:
Изучение материала вынесенного на самостоятельную
проработку
38
Итоговая аттестация осуществляется в форме зачета.
Результатом освоения учебной дисциплины является овладение
обучающимися
видом
профессиональной
деятельности
26.05.06.
«Эксплуатация судовых энергетических установок», 26.05.07 «Эксплуатация
судового электромеханического оборудования и средств автоматики» , в том
числе профессиональными (ПК) компетенциями:
Код
Наименование результата обучения
ОК-12
понимает роль охраны окружающей среды и рационального
природопользования для развития и сохранения цивилизации.
ОК-1
способность представлять современную картину мира на основе
целостной системы естественнонаучных и математических
знаний, ориентироваться в ценностях бытия, жизни, культуры;
ОК-2
способность понимать сущность и социальную значимость
своей будущей профессии, проявляет к ней устойчивый
интерес, высокую мотивацию к работе;
ПК -2
способность самостоятельно приобретать знания в области
судоходства, понимать научно-технические, правовые и
экономические проблемы водного транспорта;
ПК -28
способность осуществлять сбор, обработку, анализ и
систематизацию
научно-технической
информации
и
участвовать в проведении научных исследований и выполнении
технических разработок;
ПК-30
способность выявлять новые области исследований, новые
проблемы в сфере использования объектов профессиональной
деятельности;
ПК -31
способность разрабатывать планы, программы и методики
проведения
исследований
объектов
профессиональной
деятельности;
ПК -33
способность
передавать
знания
по
дисциплинам
профессиональных циклов в образовательных учреждениях
среднего профессионального и высшего профессионального
образования.
Содержание разделов дисциплины
№
п/п
Наименование
раздела
дисциплины
1.
Экологические
проблемы
человечества
Содержание раздела
Экология как наука. Факторы,
устойчивость биосферы.
определяющие
Проблема глобального потепления климата.
Проблема разрушения озонового слоя.
Проблема исчерпания ресурсов и
рационального природопользования.
2.
3.
принципы
Антропогенное
воздействие на
атмосферу
Основные компоненты и источники антропогенного
загрязнения воздушной среды.
Антропогенное
воздействие на
Гидросферу
Основные компоненты и источники антропогенного
загрязнения водной среды.
Принципы нормирования антропогенного
воздействия на атмосферу.
Организационные и правовые средства охраны
морской среды , МАРПОЛ.
Устойчивое развитие и способы его достижения.
Разделы дисциплин и виды занятий
№
п/п
Наименование раздела
дисциплины
Лекций
.
(час)
Практ.
Лаб.
СРС
зан.
зан.
(час)
Всего
(час)
(час)
1.
Экологические проблемы
человечества
8
8
-
14
30
2.
Антропогенное воздействие
на атмосферу
4
4
-
12
20
3.
Антропогенное воздействие
5
5
-
12
22
на Гидросферу
Всего:
17
17
-
38
72
Практические занятия (семинары)
№
п/п
№ раздела
дисциплины
1.
1
2.
1
3.
1
Тематика практических занятий
(семинаров)
Экология как наука
Проблема глобального потепления
климата
Проблема
разрушения
Трудоемкость
(час.)
2
2
озонового
2
рационального
2
слоя
4.
1
Принципы
природопользования
Основные компоненты и источники
техногенного загрязнения
атмосферы.
5.
2
6.
2
Принципы
антропогенного
атмосферу.
нормирования
воздействия
на
2
7.
3
2
8
3
9
3
Основные компоненты и источники
техногенного
загрязнения
гидросферы.
Организационные
и
правовые
средства охраны морской среды ,
МАРПОЛ.
Устойчивое развитие и способы его
достижения
Структура дисциплины Экология включает три раздела .
Раздел 1. Экологические проблемы человечества .
2
2
1
ЛЕКЦИЯ 1:
биосферы.
Экология как наука. Факторы, определяющие устойчивость
ЛЕКЦИЯ 2: Проблема глобального потепления климата.
ЛЕКЦИЯ 3: Проблема разрушения озонового слоя.
ЛЕКЦИЯ 4: Проблема исчерпания ресурсов и принципы рационального
природопользования
Лекционный материал закрепляется на практических занятиях:
Практическое занятие 1. Экология как наука
Практическое занятие 2. Проблема глобального потепления климата.
Практическое занятие 3. Проблема разрушения озонового слоя
Практическое
природопользования
занятие
4.
Принципы
рационального
На практическом занятии 4
осуществляется контроль знаний
студентов, приобретенных при изучении ими раздела 1. При этом
оцениваются не только знания, приобретенные на аудиторных занятиях, но и
при самостоятельном изучении ими ряда тем, включенных в данное пособие
наравне с лекционным курсом.
Второй раздел «Антропогенное воздействие на атмосферу» также
состоит из лекций, практических занятий и самостоятельной работы
студентов. В него входят:
ЛЕКЦИЯ 5. Основные компоненты и источники техногенного
загрязнения воздушной среды
ЛЕКЦИЯ 6. Принципы нормирования антропогенного воздействия на
атмосферу.
Лекционный материал закрепляется на практических занятиях :
Практическое занятие 5. Основные
техногенного загрязнения атмосферы.
компоненты
и
источники
Практическое занятие 6. Принципы нормирования антропогенного
воздействия на атмосферу. На данном занятии осуществляется контроль
знаний, приобретенных при изучении второго раздела.
Третий раздел: Антропогенное воздействие на гидросферу, включает
лекции 7 , 8 и 9. а также практических занятиях 7. 8 и 9.
ЛЕКЦИЯ 7. Основные компоненты и источники антропогенного
загрязнения водной среды.
ЛЕКЦИЯ 8. Организационные и правовые средства охраны морской
среды , МАРПОЛ.
ЛЕКЦИЯ 9. Устойчивое развитие и способы его достижения.
Лекционный материал закрепляется на практических занятиях
Практическое занятие 7. Основные компоненты и источники техногенного
загрязнения гидросферы.
Практическое занятие 8. Организационные и правовые средства охраны
морской среды , МАРПОЛ.
Практическое занятие 9. Устойчивое развитие и способы его достижения.
На практическом занятии 9 контролируются знания студентов,
приобретенные ими на всех прочитанных лекциях и практических занятиях, а
также при самостоятельном изучении ими ряда тем, включенных в данное
пособие наравне с лекционным курсом. На нем же выставляется зачет.
Данное пособие содержит как материал, рассматриваемый на лекциях
(соответствующие главы обозначены литерой Л), так и материал,
рекомендованный студентам для обязательного самостоятельного изучения
(он обозначен литерой С). Поэтому оно может быть полезна студентам
специальности 26.05.05
«Судовождение», как очной, так заочной форм
обучения.
Каждая глава завершается списком контрольных вопросов,
позволяющих проверить качество усвоения материала, а также списком
рекомендованной литературы.
Глава Л1. Экология как наука. Факторы, определяющие устойчивость
биосферы.
Эколо́гия (от др.-греч. οἶκος — обиталище, жилище, дом, имущество и
λόγος — понятие, учение, наука) — наука о взаимодействиях живых
организмов и их сообществ между собой и с окружающей средой. Термин
впервые предложил немецкий биолог Эрнст Геккель в 1866 году в книге
«Общая морфология организмов» («Generelle Morphologie der Organismen»).
Современное значение понятия экология имеет более широкое
значение, чем в первые десятилетия развития этой науки. В настоящее время
чаще всего под экологическими вопросами ошибочно понимаются, прежде
всего, вопросы охраны окружающей среды. Во многом такое смещение
смысла произошло благодаря всё более ощутимым последствиям влияния
человека на окружающую среду, однако необходимо разделять понятия
ecological («относящееся к науке экологии») и environmental («относящееся к
окружающей среде»). Всеобщее внимание к экологии повлекло за собой
расширение первоначально довольно чётко обозначенной Эрнстом Геккелем
области
знаний
(исключительно
биологических)
на
другие
естественнонаучные и даже гуманитарные науки.
Классическое
определение
экологии:
взаимоотношения живой и неживой природы.
наука,
изучающая
Некоторые альтернативные определения науки «экология» таковы:



Экология — познание экономики природы, одновременное
исследование всех взаимоотношений живого с органическими и
неорганическими компонентами окружающей среды… Одним словом,
экология — это наука, изучающая все сложные взаимосвязи в природе,
рассматриваемые Дарвином как условия борьбы за существование.
Экология — биологическая наука, которая исследует структуру и
функционирование систем надорганизменного уровня (популяции,
сообщества, экосистемы) в пространстве и времени, в естественных и
изменённых человеком условиях.
Экология — наука об окружающей среде и происходящих в ней
процессах.
Основные проблемы экологии как науки:

Неопределённость границ дисциплины и взаимоотношения со
смежными дисциплинами.








Неустоявшиеся представления о структуре дисциплины.
Деление экологии на общую экологию и частную экологию.
Подразделение экологии на четыре отдела — экологию особей,
популяций, биогеоценозов и экосистем.
Место экологии популяции при разделении на аутэкологию и
синэкологию.
Различия в терминологии между экологами растений и экологами
животных.
Разнообразие видов экологии, приводящее к распылению сил и
средств.
Политизация.
Несоответствие между достигнутым уровнем развития и
потребностями общества.
Полагают, что вклад в теоретические основы современной экологии
внёс Б. Коммонер, сформулировавший основные 4 закона экологии:
1. Всё связано со всем
2. Ничто не исчезает вникуда
3. Природа знает лучше — закон имеет двойной смысл — одновременно
призыв сблизиться с природой и призыв крайне осторожно обращаться
с природными системами.
4. Ничто не даётся даром (в оригинале «Бесплатных завтраков не
бывает»)
Второй и четвёртый законы, по сути, являются перефразировкой
основного закона физики — сохранения вещества и энергии. Первый и
третий законы — действительно основополагающие законы экологии, на
которых должна строиться парадигма данной науки. Основным законом
является первый, который может считаться основой экологической
философии. В частности, эта философия положена в основу понятия
«глубокая экология» в книге «Паутина жизни» Фритьофа Капры.
В 1910 г. на Третьем Международном ботаническом конгрессе в
Брюсселе были выделены три подраздела экологии:


Аутэкология — раздел науки, изучающий взаимодействие
индивидуального организма или вида с окружающей средой
(жизненные циклы и поведение как способ приспособления к
окружающей среде).
Демэкология — раздел науки, изучающий взаимодействие популяций
особей одного вида внутри популяции и с окружающей средой.

Синэкология — раздел науки, изучающий функционирование
сообществ и их взаимодействия с биотическими и абиотическими
факторами.
Также выделяют геоэкологию, биоэкологию, гидроэкологию,
ландшафтную экологию, этноэкологию, социальную экологию, химическую
экологию, радиоэкологию, экологию человека, антэкологию и др.
В связи с многогранностью предмета и методов исследований в настоящее
время некоторые ученые рассматривают экологию как комплекс наук,
который изучает функциональные взаимосвязи между организмами
(включая человека и человеческое общество в целом) и окружающей их
средой, круговорот веществ и потоков энергии, делающих возможность
жизнь[.
Экология как комплекс наук тесно связана с такими науками, как
биология, химия, математика, география, физика, эпидемиология,
биогеохимия.
Методологический подход к экологии как к науке позволяет выделить
ее объект исследования, предмет, задачи и методы исследований.
Объекты исследования экологии — в основном, системы выше уровня
отдельных организмов: популяции, биоценозы, экосистемы, а также вся
биосфера.
Предмет изучения — организация и функционирование таких систем.
Главная задача прикладной экологии — разработка принципов
рационального
использования
природных
ресурсов
на
основе
сформулированных общих закономерностей организации жизни.
Методы исследований в экологии подразделяются на полевые,
экспериментальные и методы моделирования.
Полевые
методы
представляют
собой
наблюдения
функционированием организмов в их естественной среде обитания.
за
Экспериментальные методы включают в себя варьирование различных
факторов, влияющих на организмы, по выработанной программе в
стационарных лабораторных условиях.
Методы моделирования позволяют прогнозировать развитие различных
процессов взаимодействия живых систем между собой и с окружающей их
средой
Биосфе́ра (от др.-греч. βιος — жизнь и σφαῖρα — сфера, шар) —
оболочка Земли, заселённая живыми организмами, находящаяся под их
воздействием и занятая продуктами их жизнедеятельности; «плёнка жизни»;
глобальная экосистема Земли.
Биосфера — оболочка Земли, заселённая живыми организмами и
преобразованная ими. Биосфера начала формироваться не позднее, чем 3,8
млрд. лет назад, когда на нашей планете стали зарождаться первые
организмы. Она проникает во всю гидросферу, верхнюю часть литосферы и
нижнюю часть атмосферы, то есть населяет экосферу. Биосфера представляет
собой совокупность всех живых организмов. В ней обитает более 3 000 000
видов растений, животных, грибов и бактерий. Человек тоже является частью
биосферы, его деятельность превосходит многие природные процессы и, как
сказал В. И. Вернадский: «Человек становится могучей геологической
силой».
Французский учёный-естествоиспытатель Жан Батист Ламарк в начале
XIX в. впервые предложил по сути дела концепцию биосферы, ещё не введя
даже самого термина. Термин «биосфера» был предложен австрийским
геологом и палеонтологом Эдуардом Зюссом в 1875 году.
Целостное учение о биосфере создал биогеохимик и философ В. И.
Вернадский. Он впервые отвёл живым организмам роль главнейшей
преобразующей силы планеты Земля, учитывая их деятельность не только в
настоящее время, но и в прошлом.
Существует и другое, более широкое определение: Биосфера —
область распространения жизни на космическом теле. При том, что
существование жизни на других космических объектах, помимо Земли пока
неизвестно, считается, что биосфера может распространяться на них в более
скрытых областях, например, в литосферных полостях или в подлёдных
океанах. Так, например, рассматривается возможность существования жизни
в океане спутника Юпитера Европы.
Биосфера включает в себя верхние слои литосферы, в которых ещё
живут организмы, гидросферу и нижние слои атмосферы.
Границы биосферы:
Верхняя граница в атмосфере определяется озоновым слоем,
задерживающим коротковолновое ультрафиолетовое излучение, губительное
для живых организмов (максимум концентрации озона на высотах 23-28км).
Нижняя граница в литосфере определяется температурой перехода
воды в пар и температурой денатурации белков (это происходит на глубине
4-5 км), однако в основном распространение живых организмов
ограничивается вглубь несколькими метрами.
Структура биосферы:
1. Живое вещество — вся совокупность тел живых организмов,
населяющих Землю, физико-химически едина, вне зависимости от их
систематической принадлежности.
Масса живого вещества сравнительно мала и оценивается
величиной 2,4…3,6·1012 т (в сухом весе) и составляет менее одной
миллионной части всей биосферы (ок. 3·1018 т), которая, в свою очередь,
представляет собой менее одной тысячной массы Земли. Но это одна «из
самых могущественных геохимических сил нашей планеты», поскольку
живые организмы не просто населяют земную кору, а преобразуют облик
Земли. Живые организмы населяют земную поверхность очень
неравномерно. Их распространение зависит от географической широты.
2. Биогенное вещество — органическое вещество, создаваемое и
перерабатываемое живым организмом. На протяжении органической
эволюции живые организмы тысячекратно пропустили через свои органы,
ткани, клетки, кровь большую часть атмосферы, весь объём мирового
океана, огромную массу минеральных веществ. Эту геологическую роль
живого вещества можно представить себе по месторождениям угля,
нефти, карбонатных пород и т. д.
3. Косное вещество — продукты, образующиеся без участия живых
организмов. Например – вулканические горные породы.
4. Биокосное вещество — вещество, которое создается
одновременно живыми организмами и косными процессами, представляя
динамически равновесные системы тех и других. Таковы почва, ил, кора
выветривания и т. д. Организмы в них играют ведущую роль.
5. Вещество, находящееся в радиоактивном распаде.
6. Рассеянные атомы, непрерывно создающиеся из всякого рода
земного вещества под влиянием космических излучений.
7. Вещество космического происхождения.
Слои биосферы.
Весь слой воздействия жизни на неживую природу называется
мегабиосферой, а вместе с артебиосферой — пространством человеческой
экспансии в околоземном пространстве — панбиосферой.
Аэробиосфера
Субстратом для жизни в атмосфере микроорганизмов (аэробионтов)
служат водные капельки — атмосферная влага, источником энергии —
солнечная энергия и аэрозоли. Примерно от верхушек деревьев до высоты
наиболее частого расположения кучевых облаков простирается
тропобиосфера (с тропобионтами; это пространство — более тонкий слой,
чем тропосфера). Выше простирается слой крайне разреженной микробиоты
— альтобиосфера (с альтобионтами). Выше простирается пространство, куда
организмы проникают случайно и не часто и не размножаются —
парабиосфера. Выше расположена апобиосфера.
Геобиосфера
Геобиосферу населяют геобионты, субстратом, а отчасти и средой
жизни для которых служит земная твердь. Геобиосфера состоит из области
жизни на поверхности суши — террабиосферы (с террабионтами),
разделяемой на фитосферу (от поверхности земли до верхушек деревьев) и
педосферу (почвы и подпочвы; иногда сюда включают всю кору
выветривания) и жизнь в глубинах Земли — литобиосферу (с литобионтами,
живущими в порах горных пород, главным образом в подземных водах). На
больших высотах в горах, где уже невозможна жизнь высших растений,
расположена высотная часть террабиосферы — эоловая зона (с
эолобионтами). Литобиосфера распадается на слой, где возможна жизнь
аэробов — гипотеррабиосферу, и слой, где возможно лишь обитание
анаэробов — теллуробиосферу. Жизнь в неактивной форме может проникать
глубже — в гипобиосферу. Метабиосфера — все биогенные и биокосные
породы. Глубже расположена абиосфера.
В глубинах литосферы есть 2 теоретических уровня распространения
жизни — изотерма 100 °C, ниже которой вода при нормальном атмосферном
давлении кипит, и изотерма 460 °C, где при любом давлении вода
превращается в пар, то есть в жидком состоянии быть не может.
Гидробиосфера
Гидробиосфера — весь глобальный слой воды (без подземных вод),
населённый гидробионтами — распадается на слой континентальных вод —
аквабиосферу (с аквабионтами) и область морей и океанов —
маринобиосферу (с маринобионтами). Выделяют 3 слоя — относительно
ярко освещённую фотосферу, всегда очень сумеречную дисфотосферу (до 1
% солнечной инсоляции) и слой абсолютной темноты — афотосферу.
Между верхней границей гипобиосферы и нижней
парабиосферы лежит собственно биосфера — эубиосфера.
границей
Экосисте́ма, или экологи́ческая систе́ма (от др.-греч. οἶκος —
жилище, местопребывание и σύστημα — система) — биологическая система,
состоящая из сообщества живых организмов (биоценоз), среды их обитания
(биотоп), системы связей, осуществляющей обмен веществом и энергией
между ними.
Пример экосистемы — пруд с обитающими в нём растениями, рыбами,
беспозвоночными животными, микроорганизмами, составляющими живой
компонент системы, биоценоз. Для пруда как экосистемы характерны донные
отложения определенного состава, химический состав (ионный состав,
концентрация растворенных газов) и физические параметры (прозрачность
воды, тренд годичных изменений температуры), а также определённые
показатели биологической продуктивности, трофический статус водоёма и
специфические условия данного водоёма. Другой пример экологической
системы — лиственный лес в средней полосе России с определённым
составом лесной подстилки, характерной для этого типа лесов почвой и
устойчивым растительным сообществом, и, как следствие, со строго
определёнными показателями микроклимата (температуры, влажности,
освещённости) и соответствующим таким условиям среды комплексом
животных организмов. Немаловажным аспектом, позволяющим определять
типы и границы экосистем, является трофическая структура сообщества и
соотношение производителей биомассы, её потребителей и разрушающих
биомассу организмов, а также показатели продуктивности и обмена вещества
и энергии.
История термина
Идеи единства всего живого в природе, его взаимодействия и
обуславливания процессов в природе ведут своё начало с античных времён.
Однако приобретать современную трактовку понятие стало на рубеже XIX—
XX веков. Так, немецкий гидробиолог К. Мёбиус в 1877 году описывал
устричную банку как сообщество организмов и дал ему название «биоценоз».
В классическом труде американского биолога С. Форбса (англ.)русск. озеро
со всей совокупностью организмов определяется как «микрокосм» («Озеро
как микрокосм» — «The lake as a microcosme» (англ.), 1887). Современный
термин впервые был предложен английским экологом А. Тенсли в 1935 году.
В. В. Докучаев также развивал представление о биоценозе как о целостной
системе. Однако в русской науке общепринятым стало введённое В. Н.
Сукачёвым понятие о биогеоценозе (1944). В смежных науках существуют
также различные определения, в той или иной степени совпадающие с
понятием «экосистема», например, «геосистема» в геоэкологии или
введённые примерно в тот же период другими учёными «голоцен» (Ф.
Клементс, 1930) и «биокосное тело» (В. И. Вернадский, 1944).
Определения
1. Любое единство, включающее все организмы на данном участке и
взаимодействующее с физической средой таким образом, что поток
энергии создаёт чётко определённую трофическую структуру, видовое
разнообразие и круговорот веществ (обмен веществами и энергией
между биотической и абиотической частями) внутри системы,
представляет собой экологическую систему, или экосистему (Ю. Одум,
1971).
2. Экосистема — система физико-химико-биологических процессов (А.
Тенсли, 1935 год).
3. Сообщество живых организмов вместе с неживой частью среды, в
которой оно находится, и всеми разнообразными взаимодействиями
называют экосистемой (Д. Ф. Оуэн.).
4. Любую совокупность организмов и неорганических компонентов
окружающей их среды, в которой может осуществляться круговорот
веществ, называют экологической системой или экосистемой (В. В.
Денисов.).
5. Биогеоценоз (В. Н. Сукачёв, 1944) — взаимообусловленный комплекс
живых и косных компонентов, связанных между собой обменом
веществ и энергии.
Иногда особо подчёркивается, что экосистема — это исторически
сложившаяся система (см. Биоценоз).
Экосистема — сложная (по определению сложных систем Л.
Берталанфи)
самоорганизующаяся,
саморегулирующаяся
и
саморазвивающаяся система. Основной характеристикой экосистемы
является наличие относительно замкнутых, стабильных в пространстве и
времени потоков вещества и энергии между биотической и абиотической
частями экосистемы. Из этого следует, что не всякая биологическая система
может назваться экосистемой, например, Таковыми не являются аквариум
или трухлявый пень. Данные биологические системы (естественные или
искусственные) не являются в достаточной степени самодостаточными и
саморегулируемыми (аквариум), если перестать регулировать условия и
поддерживать характеристики на одном уровне, достаточно быстро она
разрушится.
Такие сообщества не формируют самостоятельных замкнутых циклов
вещества и энергии (пень), а являются лишь частью большей системы[8].
Такие системы следует называть сообществами более низкого ранга, или же
микрокосмами. Иногда для них употребляют понятие — фация (например, в
геоэкологии), но оно не способно в полной мере описать такие системы,
особенно искусственного происхождения. В общем случае в разных науках
понятию «фация» соответствуют различные определения: от систем
субэкосистемного уровня (в ботанике, ландшафтоведении) до понятий, не
связанных с экосистемой (в геологии), либо понятие, объединяющее
однородные экосистемы (Сочава В. Б.), или почти тождественное (Берг Л. С.,
Раменский Л. Г.) определению экосистемы.
Экосистема является открытой системой и характеризуется входными
и выходными потоками вещества и энергии. Основа существования
практически любой экосистемы — поток энергии солнечного света, который
является следствием термоядерной реакции, — в прямом (фотосинтез) или
косвенном (разложение органического вещества) виде, за исключением
глубоководных экосистем: «чёрных» и «белых» курильщиков, источником
энергии в которых является внутреннее тепло земли и энергия химических
реакций.
Биогеоценоз и экосистема
В соответствии с определениями между понятиями «экосистема» и
«биогеоценоз» нет никакой разницы, биогеоценоз можно считать полным
синонимом термина экосистема. Однако существует распространённое
мнение, согласно которому биогеоценоз может служить аналогом
экосистемы на самом начальном уровне, так как термин «биогеоценоз»
делает бо́льший акцент на связь биоценоза с конкретным участком суши или
водной среды, в то время как экосистема предполагает любой абстрактный
участок. Поэтому биогеоценозы обычно считаются частным случаем
экосистемы. Разными авторами в определении термина биогеоценоз
перечисляются конкретные биотические и абиотические компоненты
биогеоценоза, в то время как определение экосистемы носит более общий
характер.
Строение экосистемы
В экосистеме можно выделить два компонента — биотический и
абиотический. Биотический делится на автотрофный (организмы,
получающие первичную энергию для существования из фото- и хемосинтеза
или продуценты) и гетеротрофный (организмы, получающие энергию из
процессов окисления органического вещества — консументы и редуценты)
компоненты, формирующие трофическую структуру экосистемы.
Единственным источником энергии для существования экосистемы и
поддержания в ней различных процессов являются продуценты,
усваивающие энергию солнца, (тепла, химических связей) с эффективностью
0,1 — 1 %, редко 3 — 4,5 % от первоначального количества. Автотрофы
представляют первый трофический уровень экосистемы. Последующие
трофические уровни экосистемы формируются за счёт консументов (2-ой, 3й, 4-й и последующие уровни) и замыкаются редуцентами, которые
переводят неживое органическое вещество в минеральную форму
(абиотический компонент), которая может быть усвоена автотрофным
элементом.
Основные компоненты экосистемы
С точки зрения структуры в экосистеме выделяют следующие
компоненты:
1. климатический режим, определяющий температуру, влажность, режим
освещения и прочие физические характеристики среды;
2. неорганические вещества, включающиеся в круговорот;
3. органические соединения, которые связывают биотическую и
абиотическую части в круговороте вещества и энергии;
4. продуценты — организмы, создающие первичную продукцию;
5. макроконсументы, или фаготрофы, — гетеротрофы, поедающие другие
организмы или крупные частицы органического вещества;
6. микроконсументы (сапротрофы) — гетеротрофы, в основном грибы и
бактерии, которые разрушают мёртвое органическое вещество,
минерализуя его, тем самым возвращая в круговорот.
Последние три компонента формируют биомассу экосистемы.
С точки зрения функционирования экосистемы выделяют следующие
функциональные блоки организмов (помимо автотрофов):
1. биофаги — организмы, поедающие других живых организмов,
2. сапрофаги — организмы, поедающие мёртвое органическое вещество.
Данное разделение показывает временно-функциональную связь в
экосистеме, фокусируясь на разделении во времени образования
органического вещества и перераспределении его внутри экосистемы
(биофаги) и переработки сапрофагами. Между отмиранием органического
вещества и повторным включением его составляющих в круговорот вещества
в экосистеме может пройти существенный промежуток времени, например, в
случае соснового бревна, 100 и более лет.
Все эти компоненты взаимосвязаны в пространстве и времени и
образуют единую структурно-функциональную систему.
Экотоп
Обычно понятие экотоп определялось как местообитание организмов,
характеризующееся определённым сочетанием экологических условий: почв,
грунтов, микроклимата и др. Однако, в этом случае это понятие фактически
почти идентично понятию климатоп.
На данный момент под экотопом в отличие от биотопа понимается
определённая территория или акватория со всем набором и особенностями
почв, грунтов, микроклимата и других факторов в неизменённом
организмами виде. Примерами экотопа могут служить наносные грунты,
новообразовавшиеся вулканические или коралловые острова, вырытые
человеком карьеры и другие заново образовавшиеся территории. В этом
случае климатоп является частью экотопа.
Климатоп
Изначально «климатоп» был определён В. Н. Сукачёвым (1964) как
воздушная часть биогеоценоза, отличающаяся от окружающей атмосферы
своим газовым составом, особенно концентарией углекислого газа в
приземном биогоризонте, кислорода там же и в биогоризонтах фотосинтеза,
воздушным режимом, насыщенностью биолинами, уменьшенной и
изменённой
солнечной
радиацией
и
освещённостью,
наличием
люминесценции растений и некоторых животных, особым тепловым
режимом и режимом влажности воздуха.
На данный момент это понятие трактуется чуть более широко: как
характеристика биогеоценоза, сочетание физических и химических
характеристик воздушной или водной среды, существенных для населяющих
эту среду организмов. Климатоп задаёт в долговременном масштабе
основные физические характеристики существования животных и растений,
определяя круг организмов, которые могут существовать в данной
экосистеме.
Эдафотоп
Под эдафотопом обычно понимается почва как составной элемент
экотопа. Однако более точно это понятие следует определять как часть
косной среды преобразованной организмами, то есть не всю почву, а лишь её
часть. Почва (эдафотоп) является важнейшей составляющей экосистемы: в
нём происходит замыкание циклов вещества и энергии, осуществляется
перевод из мёртвого органического вещества в минеральные и их вовлечение
в живую биомассу. Основными носителями энергии в эдафотопе выступают
органические соединения углерода, их лабильные и стабильные формы, они в
наибольшей степени определяют плодородие почв.
Биотоп
«Биотоп» — преобразованный биотой экотоп или, более точно,
участок территории, однородный по условиям жизни для определённых
видов растений или животных, или же для формирования определённого
биоценоза.
Биоценоз
Биоценоз — исторически сложившаяся совокупность растений,
животных, микроорганизмов, населяющих участок суши или водоёма
(биотоп). Не последнюю роль в формировании биоценоза играет
конкуренция и естественный отбор. Основная единица биоценоза —
консорция, так как любые организмы в той или иной степени связаны с
автотрофами и образуют сложную систему консортов различного порядка,
причём это сеть является консортом всё большего порядка и может косвенно
зависеть от всё большего числа детерминантов консорций.
Также возможно разделение биоценоза на фитоценоз и зооценоз.
Фитоценоз — это совокупность растительных популяций одного сообщества,
которые и формируют детерминантов консорций. Зооценоз — это
совокупность популяций животных, которые и являются консортами
различного порядка и служат механизмом перераспределения вещества и
энергии внутри экосистемы (см. функционирование экосистем).
Биотоп и биоценоз вместе формируют биогеоценоз/экосистему.
Устойчивость экосистем
Устойчивостью экосистемы называется ее способность сохранять
стабильными все свои основные характеристики.
Экосистема может быть описана комплексной схемой прямых и
обратных связей, поддерживающих гомеостаз системы в некоторых пределах
параметров окружающей среды[4]. Таким образом, в некоторых пределах
экосистема способна при внешних воздействиях поддерживать свою
структуру и функции относительно неизменными. Обычно выделяют два
типа гомеостаза: резистентный — способность экосистем сохранять
структуру и функции при негативном внешнем воздействии (см. Принцип Ле
Шателье — Брауна) и упругий — способность экосистемы восстанавливать
структуру и функции при утрате части компонентов экосистемы. В
англоязычной литературе используются сходные понятия: локальная
устойчивость (резистентный гомеостаз) и общая устойчивость (упругий
гомеостаз).
Иногда выделяют третий аспект устойчивости — устойчивость
экосистемы по отношению к изменениям характеристик среды и изменению
своих внутренних характеристик. В случае, если экосистема устойчиво
функционирует в широком диапазоне параметров окружающей среды и/или в
экосистеме присутствует большое число взаимозаменяемых видов (то есть,
когда различные виды, сходные по экологическим функциям в экосистеме,
могут замещать друг друга), такое сообщество называют динамически
прочным (устойчивым). В обратном случае, когда экосистема может
существовать в весьма ограниченном наборе параметров окружающей среды,
и/или большинство видов незаменимы в своих функциях, такое сообщество
называется динамически хрупким (неустойчивым). Необходимо отметить, что
данная характеристика в общем случае не зависит от числа видов и
сложности сообществ. Классическим примером может служить Большой
Барьерный риф у берегов Австралии (северо-восточное побережье),
являющийся одной из «горячих точек» биоразнообразия в мире —
симбиотические
водоросли
кораллов,
динофлагелляты,
весьма
чувствительны к температуре. Отклонение от оптимума буквально на пару
градусов ведёт к гибели водорослей, а до 50-60 % (по некоторым источникам
до 90 %) питательных веществ полипы получают от фотосинтеза своих
мутуалистов.
У экосистем существует множество состояний, в которых она
находится в динамическом равновесии; в случае выведения из него
внешними силами, экосистема совершенно необязательно вернётся в
изначальное состояние, зачастую её привлечёт ближайшее равновесное
состояние (аттрактор), хотя оно может быть очень близким к
первоначальному.
Обычно устойчивость связывали и связывают с биоразнообразием
видов в экосистеме (альфаразнообразие), то есть, чем выше биоразнообразие,
чем сложнее организация сообществ, чем сложнее пищевые сети, тем выше
устойчивость экосистем. Но уже 40 и более лет назад на данный вопрос
существовали различные точки зрения, и на данный момент наиболее
распространено мнение, что как локальная, так и общая устойчивость
экосистемы зависят от значительно большего набора факторов, чем просто
сложность сообществ и биоразнообразие. Так, на данный момент с
повышением биоразнообразия обычно связывают повышение сложности,
силы связей между компонентами экосистемы, стабильность потоков
вещества и энергии между компонентами.
Важность биоразнообразия состоит в том, что оно позволяет
формировать множество сообществ, различных по структуре, форме,
функциям, и обеспечивает устойчивую возможность их формирования. Чем
выше биоразнообразие, тем большее число сообществ может существовать,
тем большее число разнообразных реакций (с точки зрения биогеохимии)
может осуществляться, обеспечивая существование биосферы в целом.
На данный момент не существует удовлетворительного определения и
модели, описывающей сложность систем и экосистем в частности.
Существует два широко распространённых определения сложности:
колмогоровская сложность — слишком специализированное для применения
к экосистемам. И более абстрактное, но тоже неудовлетворительное
определение сложности, данное И. Пригожиным в работе «Время, хаос,
квант»: Сложные системы — не допускающие грубого или операционального
описания в терминах детерминистских причинностей. В других своих
трудах И. Пригожин писал, что не готов дать строгого определения
сложности, поскольку сложное — это нечто, что на данный момент не может
быть корректно определено.
В качестве параметров сложности экосистем традиционно
подразумевались общее число видов (альфа-разнообразие), большое число
взаимодействий между видами, сила взаимодействий между популяциями и
различные сочетания этих характеристик. При дальнейшем развитии этих
представлений появилось утверждение, что чем больше путей переноса и
преобразования энергии в экосистеме, тем она устойчивей при различных
видах нарушений.
Однако, позже было показано, что данные представления не могут
охарактеризовать устойчивость экосистем. Существует множество примеров
как весьма устойчивых монокультурных сообществ (фитоценозы орляка), так
и слабоустойчивых сообществ с высоким биоразнообразием (коралловые
рифы, тропические леса). В 70-80-х годах XX столетия усилился интерес к
моделированию зависимости устойчивости от сложности экосистем.
Разработанные в этот период модели показали, что в случайным образом
генерируемой сети взаимодействия в сообществе при удалении
бессмысленных цепей (типа А ест В, В ест С, С ест А и подобного типа)
локальная устойчивость падает с увеличением сложности. Если продолжить
усложнение модели и учесть, что консументы испытывают влияние пищевых
ресурсов, а пищевые ресурсы от консументов не зависят, то можно прийти к
выводу о том, что устойчивость не зависит от сложности, либо также падает
с её увеличением. Разумеется, такие результаты справедливы главным
образом для детритных цепей питания, в которых консументы не влияют на
поток пищевых ресурсов, хотя и могут менять пищевую ценность последних.
При изучении общей устойчивости на модели из 6 видов (2 хищникаконсумента второго порядка, 2 консумента первого порядка и 2 вида в
основании пищевой цепи) исследовалось удаление одного из видов. В
качестве параметра устойчивости была принята связность. Сообщество
считалось устойчивым, если остальные виды оставались локально
устойчивыми. Полученные результаты согласовывались с общепринятыми
воззрениями о том, что с повышением сложности при выпадении хищников
высшего порядка устойчивость сообщества падает, но при выпадении
оснований пищевой цепи с повышением сложности устойчивость
повышалась.
В случае упругой устойчивости, когда под сложностью также
понимается связность, с повышением сложности упругая устойчивость также
повышается. То есть, большее разнообразие видов и большая сила связи
между ними позволяет сообществам быстрее восстанавливать свою
структуру и функции. Данный факт подтверждает общепринятые взгляды на
роль биоразнообразия как некоего пула (фонда) для восстановления
полноценной структуры как экосистем, так и более высокоорганизованных
структур биосферы, а также самой биосферы в целом. На данный момент
общепринятым и фактически неоспариваемым является представление о том,
что биосфера эволюционировала в сторону увеличения биоразнообразия
(всех трёх его компонентов), ускорения обращения вещества между
компонентами биосферы, и «убыстрения» времени жизни как видов, так и
экосистем.
Как
любая
относительно
замкнутая
система,
экосистема
характеризуется входящим и выходящим потоком энергии и распределением
этих потоков между компонентами экосистем.
Продуктивность экосистем –
количество живой органики,
производимой в экосистеме за единицу времени. При анализе
продуктивности и потоков вещества и энергии в экосистемах выделяют
понятия биомасса и урожай на корню. Под урожаем на корню понимается
масса тел всех организмов на единице площади суши или воды[, а под
биомассой — масса этих же организмов в пересчёте на энергию (например, в
джоулях) или в пересчёте на сухое органическое вещество (например, в
тоннах на гектар). К биомассе относят тела организмов целиком, включая и
витализированные омертвевшие части и не только у растений, к примеру,
кора и ксилема, но и ногти и ороговевшие части у животных. Биомасса
превращается в некромассу только тогда, когда отмирает часть организма
(отделяется от него) или весь организм. Часто зафиксированные в биомассе
вещества являются «мёртвым капиталом», особенно это выражено у
растений: вещества ксилемы могут сотнями лет не поступать в круговорот,
служа только опорой растения.
Под
первичной продукцией
сообщества
(или первичной
биологической продукцией) понимается образование биомассы (более точно
— синтез пластических веществ) продуцентами без исключения энергии,
затраченной на дыхание за единицу времени на единицу площади (например,
в сутки на гектар).
Первичную продукцию сообщества разделяют на валовую первичную
продукцию, то есть всю продукцию фотосинтеза без затрат на дыхание, и
чистую первичную продукцию, являющуюся разницей между валовой
первичной продукцией и затратами на дыхание. Иногда её ещё называют
чистой ассимиляцией или наблюдаемым фотосинтезом
Чистая продуктивность сообщества— скорость накопления
органического вещества, не потребляемого гетеротрофами (а затем и
редуцентами). Обычно вычисляется за вегетационный период либо за год.
Таким образом, это часть продукции, которая не может быть переработана
самой экосистемой. В более зрелых экосистемах значение чистой
продуктивости сообщества стремится к нулю (см. концепцию климаксных
сообществ).
Вторичная продуктивность сообщества — скорость накопления
энергии на уровне консументов. Вторичную продукцию не подразделяют на
валовую и чистую, так как консументы только потребляют энергию,
усвоенную продуцентами, часть её не ассимилируется, часть идёт на
дыхание, а остаток идёт в биомассу, поэтому более корректно называть её
вторичной ассимиляцией.
Схема распределения потоков вещества и энергии среди продуцентов и
консументов (по Ю. Одуму, 1971)
Распределение энергии и вещества в экосистеме может быть
представлено в виде системы уравнений. Если продукцию продуцентов
представить как P1, то продукция консументов первого порядка будет
выглядеть следующим образом:

P2=P1-R2,
где R2 — затраты на дыхание, теплоотдача и неассимилированная энергия.
Следующие консументы (второго порядка) переработают биомассу
консументов первого порядка в соответствии с:

P3=P2-R3
и так далее, до консументов самого высшего порядка и редуцентов. Таким
образом, чем больше в экосистеме потребителей (консументов), тем более
полно перерабатывается энергия, первоначально зафиксированная
продуцентами в пластических веществах. В климаксных сообществах, где
разнообразие для данного региона обычно максимально, такая схема
переработки энергии позволяет сообществам устойчиво функционировать на
протяжении длительного времени.
Роль антропогенного воздействия
Хозяйственная деятельность человека изменяет величину чистой
первичной продукции экосистем. В некоторых регионах, примером которых
может служить долина Нила, ирригация дает значительное увеличение
локальной чистой первичной продукции, но это скорее исключение из
правила. Глобально на поверхности суши антропогенное воздействие
сокращает этот показатель на 9,6%. Кроме этого нужно отметить, что 23,8%
чистой первичной продукции биосферы человечество потребляет на свои
нужды. Для достижения этого результата в 2000 году 34% всей свободной от
льда поверхности суши были заняты под нужды сельского хозяйства [46]. Это
сокращает количество энергии, доступной для других биологических видов,
негативно влияет на биоразнообразие, затрагивает водный и углеродный
циклы планеты. Дальнейшее увеличение этой доли создает угрозу
разрушения жизненно важных экосистем планеты.
Пространственные границы
В природе, как правило, не существует чётких границ между
различными экосистемами. Всегда можно указать на ту или иную
экосистему, но выделить дискретные границы, если они не представлены
различными ландшафтными факторами (обрывы, реки, различные склоны
холмов, выходы скальных пород и т. п.), не представляется возможным, ибо
чаще всего существуют плавные переходы от одной экосистемы к другой.
Это обусловлено относительно плавным изменением градиента факторов
среды (влажность, температура, увлажнённость и прочее). Иногда переходы
из одной экосистемы в другую могут фактически являться самостоятельной
экосистемой. Обычно сообщества, образующиеся на стыке различных
экосистем, называются экотонами. Термин «экотон» введён Ф. Клементсом в
1905 году.
Экотоны
Экотоны – границы между экосистемами. Они играют существенную
роль в поддержании биологического разнообразия экосистем за счёт так
называемого краевого эффекта — сочетания комплекса факторов среды
различных экосистем, обуславливающее большее разнообразие условий
среды, следовательно, лицензий и экологических ниш. Тем самым возможно
существование видов как из одной, так и из другой экосистемы, а также
специфичных для экотона видов (например растительность прибрежноводных местообитаний).
В российской литературе краевой эффект иногда называют эффектом
опушки.
Примерами экотонов могут служить прибрежные участки суши и
водоемов (например, литораль), опушки, переходы из лесных экосистем в
полевые, эстуарии. Однако не всегда экотон является местом повышенного
биоразнообразия видов. К примеру, эстуарии рек, впадающих в моря и
океаны, наоборот, характеризуются пониженным биоразнообразием видов,
так как средняя солёность дельт не позволяет существовать многим
пресноводным и солоноводным (морским) видам.
Альтернативным представлением о континуальных переходах между
экосистемами является представление о экоклинах (экологических рядах).
Экоклин — постепенная смена биотопов, генетически и
фенотипически приспособленных к конкретной среде обитания, при
пространственном изменении какого-либо фактора среды (обычно
климатического), а потому составляющих непрерывный ряд форм без
заметных перерывов постепенности. Экоклин невозможно разделить на
экотипы. Например, длина ушей лисиц и мн. др., их признаки изменяются с
севера на юг настолько постепенно, что очень затруднительно выделить
четкие морфологические группы, которые бы естественно объединялись в
подвиды.
На одном и том же биотопе с течением времени могут существовать
различные экосистемы. Смена одной экосистемы на другую может занимать
как довольно длительные, так относительно короткие (несколько лет)
промежутки времени. Длительность существования экосистем в таком случае
определяется этапом сукцессии. Смена экосистем в биотопе может быть
обусловлена и катастрофическими процессами, но в таком случае,
существенно изменяется и сам биотоп, и такую смену не принято называть
сукцессией (за некоторыми исключениями, когда катастрофа, например,
пожар — естественный этап циклической сукцессии).
Сукцессия — это последовательная, закономерная смена одних
сообществ другими на определённом участке территории, обусловленная
внутренними факторами развития экосистем. Каждое предыдущее
сообщество предопределяет условия существования следующего и
собственного исчезновения. Это связано с тем, что в экосистемах, которые
являются переходными в сукцессионом ряду, происходит накопление
вещества и энергии, которые они уже не в состоянии включить в круговорот,
преобразование биотопа, изменение микроклимата и других факторов, и тем
самым создаётся вещественно-энергетическая база, а также и условия среды,
необходимые для формирования последующих сообществ. Однако, есть и
другая модель, которая объясняет механизм сукцессии следующим образом:
виды
каждого
предыдущего
сообщества
вытесняются
лишь
последовательной конкуренцией, ингибируя и «сопротивляясь» внедрению
последующих видов. Тем не менее, эта теория рассматривает лишь
конкурентные отношения между видами, не описывая всю картину
экосистемы в целом. Безусловно, такие процессы идут, но конкурентное
вытеснение предыдущих видов возможно именно из-за преобразования ими
биотопа. Таким образом, обе модели описывают разные аспекты процесса и
верны одновременно.
Сукцессия бывает автотрофной (например, сукцессия после лесного
пожара) и гетеротрофной (например, осушенное болото). На ранних стадиях
автотрофной сукцессионной последовательности соотношение P/R много
больше единицы, так как обычно первичные сообщества обладают высокой
продуктивностью, но структура экосистемы ещё не сформировалась
полностью, и нет
возможности утилизировать эту биомассу.
Последовательно, с усложнением сообществ, с усложнением структуры
экосистемы, расходы на дыхание (R) растут, так как появляется всё больше
гетеротрофов,
ответственных
за
перераспределение
вещественноэнергетических потоков, соотношение P/R стремится к единице и фактически
является таковым у терминального сообщества (экосистемы).
Гетеротрофная сукцессия обладает обратными характеристиками: в
ней соотношение P/R на ранних этапах много меньше единицы (так как
существует много органического вещества и нет необходимости в его
синтезе, его можно сразу использовать на построение сообщества) и
постепенно увеличивается по мере продвижения по сукцессионным стадиям.
На ранних этапах сукцессии видовое разнообразие мало, но по мере
развития разнообразие нарастает, изменяется видовой состав сообщества,
начинают преобладать виды со сложными и продолжительными жизненными
циклами, обычно появляются всё более крупные организмы, происходит
развитие взаимовыгодных коопераций и симбиозов, усложняется
трофическая структура экосистемы. Обычно предполагается, что
терминальная стадия сукцессии обладает наибольшим видовым
биоразнообразием. Это справедливо не всегда, но для климаксных сообществ
тропических лесов это утверждение справедливо, а для сообществ
умеренных широт пик разнообразия приходится на середину сукцессинного
ряда или ближе к терминальной стадии[2][8]. На ранних стадиях сообщества
состоят из видов с относительно высокой скоростью размножения и роста, но
низкой способностью к индивидуальному выживанию (r-стратеги). В
терминальной стадии воздействие естественного отбора благоприятствует
видам с низкой скоростью роста, но большей способностью к выживанию (kстратеги).
По мере продвижения по сукцессионному ряду происходит всё
большее вовлечение биогенных элементов в круговорот в экосистемах,
возможно относительное замыкание внутри экосистемы потоков таких
биогенных элементов, как азот и кальций (одни из наиболее подвижных
биогенов). Поэтому в терминальной стадии, когда большая часть биогенов
вовлечена в круговорот, экосистемы более независимы от внешнего
поступления данных элементов.
Понятие сукцессии тесно тесно связано с понятием климаксного
сообщества. Климаксное сообщество формируется в результате
последовательной смены экосистем и представляет собой наиболее
сбалансированное сообщество, максимально эффективно использующее
вещественно-энергетические потоки, то есть поддерживающее максимально
возможную биомассу на единицу поступающей в экосистему энергии.
Теоретически у каждого сукцессионного ряда существует климаксное
сообщество (экосистема), которое является терминальной стадией развития
(или несколько, так называемая концепция поликлимакса). Однако, в
реальности сукцессинный ряд замыкается климаксом не всегда, может
реализоваться субклимаксное сообщество (или названное Ф. Клементсом —
плагиклимакс), которое представляет собой сообщество, предшествующее
климаксному, достаточно развитое структурно и функционально. Такая
ситуация может возникать в силу естественных причин — условий среды или
вследствие деятельности человека (в таком случае его называют дисклимакс.
Вопросы для самоконтроля усвоения изученного материала
1. Что изучает наука экология?
2. Сформулируйте законы Коммонера.
3. Что изучает аутэкология?
4. Что изучает демэкология?
5. Что изучает синэкология?
6. Что такое биосфера?
7. Кто является автором термина биосфера?
8. Что ограничивает биосферу сверху?
9. Что такое экосистема?
10.Что такое экотон?
Рекомендованная литература
1. Розенберг Г. С., Мозговой Д. П., Гелашвили Д. Б. Экология.
Элементы теоретических конструкций современной экологии. —
Самара: СамНЦ РАН, 1999. — 397 с.
2. М. Бигон, Дж. Харпер, К. Таунсенд. Экология. Особи, популяции и
сообщества в 2 т. — Москва: Мир, 1989.
3. Маврищев В.В. Континуум, экотоны, краевой эффект // Основы
экологии: учебник. — 3-е изд. испр. и доп. — Минск: Высшая школа,
2007. — 447 с.
С1. Основные этапы развития экологических представлений.
Уже с давних времён люди стали замечать различные закономерности
во взаимодействии животных друг с другом и с окружающей средой. Однако
в те времена даже биология не была отдельной наукой, являясь частью
философии.
Античность
Первые описания экологии животных можно отнести к индийским и
древнегреческим трактатам:




Индийские трактаты «Рамаяна», «Махабхарата» (VI—I века до н. э.) —
Образ жизни зверей (более 50 видов), места обитания, питание,
размножение, суточная активность, поведение при изменениях
природной обстановки.
Аристотель — «История животных» — экологическая классификация
животных, среда обитания, тип движения, места обитания, сезонная
активность, общественная жизнь, наличие убежищ, использование
голоса.
Теофраст — даны основы геоботаники, а также описано
приспособительное значение изменений в окраске животных.
Плиний Старший — «Естественная история» — представлен
экономический характер зооэкологических представлений.
Древние греки в целом представляли себе жизнь как нечто, не
требующее понимания и адаптации, что близко к современным
экологическим представлениям.
Новое время
Новое время, которое характеризуется подъёмом в области научного
знания,
экологические
закономерности
выявлялись
учёнымиэнциклопедистами, зачастую весьма далекими от биологии в своих основных
исследованиях.






Р. Бойль — им проведён один из первых экологических экспериментов
— влияние атмосферного давления на животных, стойкость к вакууму
водных, земноводных и др. пойкилотермных животных.
Антони Ван Левенгук — описание пищевых цепей, регулирование
численности популяций.
Дэрем — «Физико-теология» (1713) — в этой работе впервые описан
термин баланс в смысле регуляции численности животных.
Р. Брэдли — впервые экология описывается количественно — роль
воробьиных птиц в истреблении вредных насекомых.
Рене Реомюр — «Мемуары по естественной истории насекомых» —
рассматриваются количественные климатические факторы —
постоянство суммы средних дневных температур в тени для сезонного
периода в жизни организмов.
К. Линней — «Экономия природы», «Общественное устройство
природы» — описана концепция равновесия в природе, применён
системный подход к природе, оценено ведущее влияние климатических
условий, описаны фенологические наблюдения — гибель одних






организмов как средство для существования других, сравнение
природы с человеческой общиной.
Ж. Бюффон — «Естественная история» — описано влияние факторов
среды, исследования по популяционной экологии — влияние климата,
характера местности и других внешних условий на популяции. Описан
рост численности некоторых животных в геометрической прогрессии.
С. П. Крашенинников (1713—1755) «Описание земли Камчатки» (1755)
— частная экология животных, описание растений, образ жизни.
И. И. Лепёхин «Дневные записки путешествия доктора и Академии
наук адъюнкта Ивана Лепёхина по разным провинциям Российского
государства», перевод Бюффона. Биологические характеристики зверей
и птиц. Зависимость существования и географического распределения
животных от климатических условий и растительности Зависимость
численности, распределения, плодовитости и миграций белки,
кедровки и прочих от урожая кедровых орехов и других хвойных
пород.
Петер Симон Паллас «Путешествия по различным провинциям
Российского государства», «Zoographia rosso-asiatica» — экологический
подход к изучению животных (влияние внешних условий на животную
жизнь). Климатология и физическая география, описание частной
экологии грызунов. Программа наблюдений периодических явлений в
популяциях животных.
В. Ф. Зуев (ученик П. С. Палласа) «Начертания естественной истории»
— первый в России школьный учебник. Описания экологии белки.
Э. Циммерман — Зоогеография (1777) — Зависимость
распространения млекопитающих от климата как по причине его
прямого влияния, так и через растительность как важнейший источник
пищи для животных.
Первая половина XIX века




Ж. Б. Ламарк — «Философия зоологии» — Описано взаимодействия
организм — среда.
Т. Фабер «О жизни птиц далекого севера» (1825) — экология птиц.
Константин Глогер — 1833 Правило Глогера (географические расы
животных в тёплых и влажных регионах пигментированы сильнее, чем
в холодных и сухих регионах), заложены начала современной
зоогеографии. Влияние климата на птиц — поведение, выбор
местообитания, степень оседлости, окраску.
В. Эдвардс — «Влияние физических агентов на жизнь» (1824) —
сравнительная экологическая физиология. Эксперименты по влиянию
температуры и водной среды на развитие головастиков лягушки.
Влияние температуры, влажности, света и др. на дыхание,
кровообращение, температуру, рост тела у рыб, земноводных,
рептилий, птиц, зверей, человека.










Спейн (1802) — эксперименты с длиной светового дня и
яйценоскостью кур.
Е. П. Менетрие — изучение вертикального распределения животных в
горах Кавказа.
Г. Бергхаус — «Всеобщий зоологический атлас» (1851) — сочетание
климатических условий и биотических отношений. Зоогеографическое
районирование на основе распространения хищных млекопитающих
(хищники интегрируют совокупное воздействие элементов природы).
Ш. Морран (1840) — закрепление понятия «Фенология».
К. Хойзингер (1822) — разделение зоологии на зоографию и зоономию.
Изучение причин и законов возникновения и существования отдельных
животных и всего животного царства.
Генрих Георг Бронн (1850) — «Экономия животных»
Э. А. Эверсманн (1794—1860), М. Н. Богданов — «Естественная
история Оренбургского края» (1840—1866) — географическая
зональность смены ландшафтов на основе изменений характера почвы.
Биоценотические отношения между животными. Экологический
оттенок в описаниях групп животных. Оценка экономического
значения животных. Характеристика пустынных экосистем — бедность
фауны при обилии особей. Прообраз в описаниях грызунов как
представителей R-стратегов. Морфологические приспособления к
условиям обитания — тушканчики на разных грунтах, адаптивное
строение и добывание пищи у дятлов. Экономия природы.
К. М. Бэр — экспедиция на Новую Землю. Основы современной теории
динамики популяций рыб.
А. Ф. Миддендорф — «Путешествие на север и восток Сибири»,
«Сибирская фауна» — зоологическая география. Природа как единое
целое. Ландшафтно-экологический подход. Экоморфология и её
приспособительное значение. Изопиптезы. Сезонные миграции птиц.
Значение кочёвок птиц и зверей. Экология леммингов. Влияние
полярного дня на морфофизиологические функции. Криптическая роль
окраски. Сопряженность ареалов.
К. Ф. Рулье и Н. А. Северцов — основоположники российской
экологии животных:
Карл Францевич Рулье — лекция «Жизнь животных по отношению к
внешним условиям» (1852). Экологическая концепция, метод
экологического изучения животных.
Прямые и обратные явления жизни. Внутривидовые и межвидовые
отношения животных. Существование общин (популяций). Проблема
адаптации, морфобиологические особенности: жизненные формы
животных, экологическая морфология, зоопсихология. Термины:
зооэтика — зоогнозия, зообиология = этология Сент-Илера (от Милля).
Н. А. Северцов «Периодические явления в жизни зверей, птиц и гад
Воронежской губернии» — синэкологический аспект. Методический
аспект
—
эколого-географический
метод.
Необходимость
биоценологического подхода «местные мелкие фауны»: «Каждое
явление мы изучаем у всех животных, у которых заметили его.
Порядок в описании явлений определяется их естественной
последовательностью — от весны до весны, только явления линяния
отделены от прочих, современных им».


Жоффруа Сент-Илер «Естественная история органического мира» —
этология = зоопсихология + экология.
Ч. Дарвин —
«Путешествие натуралиста вокруг света». Экономия природы.
Объяснение паразитизма кукушки. Гибель крупных животных от
катастрофических причин. Теория происхождения коралловых рифов.
«Происхождение видов». Синэкологические взаимоотношения как
наиболее важные. Классификация взаимоотношений организмов.
Продуктивность и состав сообществ. «Прочно укоренившееся
заблуждение — считать физические условия за наиболее важные».
Демография популяций. Синэкология: Взаимосвязь кошки — мыши —
шмели-клевер и его ареал. Роль птиц в расселении семян —
количественные исследования.
Адаптивное строение цветка
энтомофильных
орхидей.
Эколого-морфологический
анализ
челюстного аппарата гусеобразных.

Э. Геккель и формирование экологии как особой отрасли науки:
«Всеобщая морфология организмов». Биология делится на:
морфологию (биостатику[4]) и физиологию (биодинамику[5]), а для
узкого понимания термина биологии мы вводим термин экология,
синоним — биономия — «Общие основы науки об органических
формах,
механически
основанной
на
теории
эволюции,
реформированной Чарлзом Дарвином».
Экология — наука об экономии, об образе жизни, о внешних
жизненных отношениях организмов друг с другом и т. д. (1 глава) =
этологии Сент-Илера, хотя сам Геккель этого не знал.
Под экологией мы понимаем общую науку об отношениях организмов
с окружающей средой, куда мы относим в широком смысле все
условия существования (19 глава). Экология — физиологическая
дисциплина: форономия (общая физиология) — эргология (физиология
функций) и перилогия (физиология отношений) — экология и
хорология.
Отсутствие
обязательной
корреляции
между
плодовитостью, численностью и масштабами географического
распространения (глупыш и многие плодовитые виды). Для каждого
отдельного вида в экономии природы имеется только определённое
число мест (=экологические ниши Элтона). В одном месте может
существовать тем большее количество животных-индивидов, чем более
разнообразна их природа.
Экология животных после Дарвина и Геккеля




Форбс (1895) — замечание о понятии науки экология. Определение:
наука об отношениях животных и растений к другим живым существам
и ко всему их окружающему.
К. А. Тимирязев. Противник термина экология (биономия, биология в
узком смысле).
М. А. Мензбир «Птицы России» — революция в зоологии:
экологический подход к составлению систематических зоологических
сводок.
М. Н. Богданов (1841—1888) «Птицы и звери Черноземной полосы
Поволжья, долины средней и нижней Волги» («Биогеографические
материалы» 1871) — широко используется понятие биоценоза
(введённого К. А. Мёбиусом в 1877 году[6]). Курс лекций зоологии в
Петербургском университете с широкой биологической точки зрения,
введена концепция саморегуляции биоценоза.
Современная классическая экология
Современная экология — сложная, разветвлённая наука. Ч. Элтон
использовал концепции трофической (пищевой цепи), пирамиды
численности, динамики численности.
Вопросы для самоконтроля усвоения материала.
1.1. Охарактеризуйте античный этап развития экологических
представлений.
1.2. Охарактеризуйте развития экологических представлений в новое
время.
1.3. Охарактеризуйте развитие экологических представлений в XIX
веке.
1.4. Охарактеризуйте современный этап развития экологии.
Рекомендованная литература
o
o
o
Маврищев В.В. Континуум, экотоны, краевой эффект // Основы
экологии: учебник. — 3-е изд. испр. и доп. — Минск: Высшая
школа, 2007. — 447 с.
Николайкин, Н. И. , Николайкина, Н. Е., Мелехова, О. П.
Экология. — 5-е. — М.: Дрофа, 2006. — 640 с.
Бродский А. К. Краткий курс общей экологии, Учебное пособие
для ВУЗов. — СПб: «Деан», 2000. — 224 с.
Раздел Л.2. Проблема глобального потепления климата.
Глобальное потепление — повышение средней температуры
климатической системы Земли. Начиная с 1970-х годов, как минимум 90%
потепления происходит в океане. Несмотря на доминирующую роль океана в
накоплении тепла, термин глобальное потепление часто используется для
обозначения роста средней температуры воздуха у поверхности суши и
океана.
Средние температуры поверхности Земли.
С начала 20-го столетия средняя температура воздуха возросла на 0,74
°C, примерно две трети потепления имели место после 1980 года. Каждое из
последних трех десятилетий было теплее предыдущего, температура воздуха
была выше, чем в любое предшествующее десятилетие, начиная с 1850 года.
Научное понимание причин глобального потепления со временем
становится все более определенным. В Четвертом оценочном докладе
МГЭИК (2007) констатировалась 90% вероятность того, что большая часть
изменения температуры вызвана повышением концентрации парниковых
газов вследствие человеческой деятельности. В 2010 году этот вывод был
подтвержден академиями наук всех основных индустриальных стран. В
Пятом докладе (2013) МГЭИК уточнила эту оценку:
Антропогенное воздействие отмечено в потеплении атмосферы и
океана, в изменении глобального водного цикла, в уменьшении
снежного покрова и льда, в росте среднего уровня моря, а также в
изменении числа экстремальных погодных явлений. После
Четвертого оценочного доклада получены дополнительные
доказательства антропогенного воздействия. Очень вероятно
(95-100%), что человеческая деятельность является основной
причиной наблюдающегося потепления начиная с середины 20-го
столетия.
Вероятная величина возможного роста температуры на протяжении 21го века на основе климатических моделей составит 1,1 — 2,9 °C для
минимального сценария эмиссии; 2,4 — 6,4 °C для сценария максимальной
эмиссии. Разброс в оценках определяется принятыми в моделях значениями
чувствительности климата к изменению концентрации парниковых газов.
Изменение климата и его последствия в разных регионах мира будут
различными. Результатами роста глобальной температуры являются рост
уровня моря, изменение количества и характера осадков, рост пустынь.
Потепление сильнее всего проявляется в Арктике, оно приводит к
отступлению ледников, вечной мерзлоты и морских льдов. К другим
последствиям потепления относятся: увеличение частоты экстремальных
погодных явлений, включая волны жары, засухи и ливни; окисление океана;
вымирание биологических видов из-за изменения температурного режима. К
важным для человечества последствиям относится угроза продовольственной
безопасности из-за негативного влияния на урожайность (особенно в Азии и
Африке) и потеря мест обитания людей из-за роста уровня моря.
Политика противодействия глобальному потеплению включает его
смягчение за счет сокращение эмиссии парниковых газов, а также адаптацию
к его воздействию. В будущем, по мнению некоторых, станет возможным
геоинжениринг. Подавляющее большинство стран мира участвует в
Рамочной конвенции ООН по изменению климата. Участники конвенции на
международных переговорах разрабатывают меры смягчения и адаптации.
Они согласились с необходимостью глубокого сокращения эмиссии с целью
ограничения глобального потепления величиной 2,0 °C.
Согласно докладам, опубликованным в 2011 году Программой ООН по
окружающей среде и Международным энергетическим агентством,
предпринятые в XXI столетии усилия по снижению эмиссии исходя из цели
ограничить потепление величиной 2,0 °C являются неадекватными.
В 2000 — 2010 годах эмиссия парниковых газов увеличивалась на 2,2% в год.
В 1970 — 2000 рост составлял 1,3% в год. Как отмечается в докладе
Всемирной метеорологической организации, увеличение искусственных
парниковых газов в атмосфере означает, что будущее изменение климата в
сторону потепления неизбежно.
Изменение температуры
Средняя приповерхностная температура воздуха за период 1906—2005
годов выросла на 0,74±0,18 °C. Темпы потепления в течение второй
половины этого периода примерно вдвое выше, чем за период в целом.
Эффект городского тепла сыграл весьма незначительную роль в этом
повышении, составляя менее 0,002 °C за десятилетие, начиная с 1900 года.
Согласно данным спутниковых измерений, температура нижней тропосферы
начиная с 1979 года росла с темпом 0,13—0,22 °C за десятилетие. Косвенные
методы оценки показывают, что до 1850 года на протяжении одной или двух
тысяч лет температура оставалась относительно стабильной, с
региональными флуктуациями, такими как Средневековый тёплый период
или Малый ледниковый период.
Потепление, выявляемое прямыми замерами температуры воздуха,
согласуется с широким спектром наблюдений, выполненных многими
независимыми исследовательскими группами. Примерами таких наблюдений
могут быть рост уровня моря (вызванный термическим расширением воды
при нагревании), таяние ледников, рост теплосодержания океана, ,
увеличение влажности более раннее наступление весны. Вероятность
случайного совпадения таких событий практически равна нулю.
Земля находится в состоянии дисбаланса получаемой от Солнца и
отдаваемой в космос энергии как минимум начиная с 1970-х годов. Более 90
% избыточной энергии поглощается океаном, оставшаяся доля идёт на нагрев
атмосферы и поверхности суши, причём на долю атмосферы приходится
около 1 %.
Несмотря на отчетливо видимый на временном масштабе нескольких
десятилетий процесс потепления атмосферы, существует значительная
изменчивость на временных отрезках порядка десятилетия, поэтому периоды
10 или 15 лет часто показывают более слабые или более сильные тенденции
потепления. Такие относительно краткосрочные колебания накладываются
на долговременный тренд потепления и могут временно маскировать его.
Относительная стабильность атмосферных температур в 2002—2009 годах,
которую многие СМИ и некоторые учёные называли «паузой» или
«приостановкой» глобального потепления, является примером такого
эпизода. Хотя темпы роста приповерхностной температуры атмосферы и
уменьшились в этот период, океан продолжал накапливать тепло, причём на
больших глубинах, чем ранее.
Наиболее жаркими годами за все время наблюдений, начиная с конца
19 века, признаются 1998, 2005 и 2010 годы, разница между ними
статистически незначительна. Как указывает в 2014 году Всемирная
метеорологическая организация (ВМО), 13 из 14 самых тёплых лет за
историю метеонаблюдений приходятся уже на нынешнее XXI столетие, а
десятилетие 2000-х стало самым тёплым в истории наблюдений. Каждый год
периода 1986—2013 годов был жарче среднего за период 1961—1990 годов.
На температуру 1998 года оказало влияние сильнейшее за столетие явление
Эль Ниньо.
В различных частях земного шара температуры меняются по разному.
С 1979 года температура над сушей выросла вдвое больше, чем над океаном.[
Температура воздуха над океаном растет медленнее из-за его большой
теплоёмкости и затраты энергии на испарение. Северное полушарие
нагревается быстрее, чем южное, из-за меридионального переноса тепла в
океане, также вносит свой вклад разница альбедо полярных регионов. В
Арктике темпы потепления вдвое больше среднемировых, при этом
температуры там отличаются резкой изменчивостью. Хотя в северном
полушарии эмиссия парниковых газов намного выше, чем в южном, это не
является причиной различий в потеплении, поскольку время жизни основных
парниковых газов позволяет им эффективно перемешиваться в атмосфере.
Термическая инерция океанов и медленная реакция других элементов
климатической системы означают, что климату потребуются столетия для
достижения равновесного состояния. Исследования показывают, что если
парниковые газы в атмосфере будут стабилизированы на уровне 2000 года,
после этого произойдет дальнейшее потепление на 0,5 °C.
Причины потепления
Глобальные потепления (межледниковья) за последние 0,5 млн лет.
Климатические индикаторы: изменение уровня океана (синий), концентрация
18
O в морской воде, концентрация CO2 в антарктическом льду. Деление
временной шкалы — 20 000 лет. Пики уровня моря, концентрации CO2 и
18
минимумы
O совпадают с межледниковыми
температурными
максимумами.
Климатическая система реагирует на изменения внешних воздействий ,
способных «толкать» климат в сторону потепления или похолодания.
Примерами таких воздействий являются: изменение газового состава
атмосферы (изменение концентрации парниковых газов), вариации
светимости Солнца, вулканические извержения, изменения в орбитальном
движении Земли вокруг Солнца.
Орбитальные циклы представляют собой медленные вариации на
временном протяжении порядка десятков тысяч лет, в настоящее время они
находятся в тренде похолодания, который мог бы в отдаленной перспективе
привести к новому периоду оледенения, если бы накопленный эффект
антропогенного воздействия не препятствовал этому.
Выбросы парниковых газов
График Килинга
Выделение углерода в атмосферу в результате сжигания ископаемых топлив
с 1800 года по 2007 в миллиардах тонн.
Существует научный консенсус, что текущее глобальное потепление с
высокой вероятностью объясняется деятельностью человека и вызвано
антропогенным ростом концентрации углекислого газа в атмосфере Земли, и,
как следствие, увеличением парникового эффекта.
Парниковый эффект был обнаружен Жозефом Фурье в 1824 году и
впервые был количественно исследован Сванте Аррениусом в 1896. Это
процесс, при котором поглощение и испускание инфракрасного излучения
атмосферными газами вызывает нагрев атмосферы и поверхности планеты.
На Земле основными парниковыми газами являются: водяной пар
(ответственен примерно за 36—70 % парникового эффекта, без учёта
облаков), углекислый газ (CO2) (9—26 %), метан (CH4) (4—9 %) и озон (3—7
%). Особенностью водяного пара является способность конденсироваться и
зависимость его концентрации в атмосфере от температуры воздуха, что
придает ему свойство положительной обратной связи в климатической
системе. Атмосферные концентрации CO2 и CH4 увеличились на 31 % и 149
% соответственно по сравнению с началом промышленной революции в
середине XVIII века. Согласно отдельным исследованиям, такие уровни
концентрации достигнуты впервые за последние 650 тысяч лет — период,
для которого были получены достоверные данные из образцов полярного
льда.
Около половины всех парниковых газов, получаемых в ходе
хозяйственной деятельности человечества, остаются в атмосфере. Около трёх
четвертей всех антропогенных выбросов углекислого газа за последние 20
лет стали результатом добычи и сжигания нефти, природного газа и угля, при
этом примерно половина объёма антропогенных выбросов углекислоты
связываются наземной растительностью и океаном. Бо́льшая часть остальных
выбросов CO2 вызвана изменениями ландшафта, в первую очередь вырубкой
лесов, однако скорость связывания наземной растительностью углекислого
газа превосходит скорость его антропогенного высвобождения вследствие
сведения лесов. По данным МГЭИК ООН, до трети общих антропогенных
выбросов CO2 являются результатом обезлесения.
Твердые аэрозольные частицы и сажа
Как минимум, с начала 1960-х годов и, по крайней мере, до 1990 года
наблюдалось постепенное уменьшение количества солнечного света,
достигающего поверхности Земли, это явление называют глобальным
затемнением. Главной его причиной являются пылевые частицы,
попадающие в атмосферу при вулканических выбросах и в результате
производственной деятельности. Наличие таких частиц в атмосфере создает
охлаждающий эффект, возникающий благодаря их способности отражать
солнечный свет. Два побочных продукта сжигания ископаемого топлива CO2 и аэрозоли — на протяжении нескольких десятилетий частично
компенсировали друг друга, уменьшая эффект потепления в этот период.
Радиационное воздействие аэрозольных частиц зависит от их
концентрации. При сокращении выбросов частиц снижение концентрации
предопределяется их временем жизни в атмосфере (порядка одной недели).
Углекислый газ имеет время жизни в атмосфере, измеряемое столетиями,
таким образом, изменение концентрации аэрозолей способно дать лишь
временную отсрочку потеплению, вызываемому CO2.
Мелкодисперсные частицы углерода (сажа) по своему влиянию на рост
температуры уступают только CO2. Их воздействие зависит от того,
находятся ли они в атмосфере или на поверхности земли. В атмосфере они
поглощают солнечную радиацию, нагревая воздух и охлаждая поверхность.
В изолированных районах с высокой концентрацией сажи, например, в
сельских районах Индии, до 50% потепления у поверхности земли
маскируются облаками из сажи. При выпадении на поверхность, особенно на
ледники или на снег и лед в Арктике, частицы сажи приводят к нагреву
поверхности за счет снижения ее альбедо.
Кроме непосредственного воздействия путем рассеивания и
поглощения солнечной энергии, аэрозольные частицы служат центрами
конденсации влаги, способствуя формированию облаков из большого
количества мелкодисперсных капель. Такие облака сильнее отражают
солнечный свет, чем облака из более крупных капель. Эта роль аэрозольных
частиц сильнее выражена в отношении облаков над морем, чем над сушей.
Косвенные эффекты аэрозолей представляют собой самый большой источник
неопределенности в оценке различных видов радиационных воздействий. [69]
Влияние аэрозольных частиц географически неравномерно, оно наиболее
выражено в тропиках и субтропиках, особенно в Азии.
Изменение солнечной активности
Светимость Солнца и его спектр изменяются на временных интервалах
от нескольких лет до тысячелетий. Эти изменения имеют периодические
составляющие, наиболее выраженной из которых является 11 - летний цикл
солнечной активности (цикл Швабе). Изменения также включают в себя
апериодические колебания. В последние десятилетия (с 1978 года) солнечная
активность измеряется с помощью спутников, для более ранних периодов
она рассчитывается с использованием косвенных индикаторов. Ученые,
изучающие изменения климата, заинтересованы в понимании последствий
изменений солнечной радиации для Земли и ее климата.
Изменения в общей солнечной радиации слишком малы для прямого
измерения с помощью технологий, доступных до спутниковой эры. Общая
светимость Солнца в течение последних трех 11-летних циклов солнечной
активности изменяется с амплитудой примерно 0,1 %, или около 1,3 Вт/м2, за
время прямых измерений имеется незначительный отрицательный тренд.
Количество солнечной энергии, получаемой на внешней границе
атмосферы Земли в среднем составляет 1366 Вт/м2. Прямых измерений
светимости за более ранний период не существует, интерпретации косвенных
индикаторов в научной литературе заметно отличаются. В целом доминирует
мнение, что интенсивность солнечного излучения, достигающего Земли, в
течение последних 2000 лет была относительно постоянной, с вариациями
примерно 0,1-0,2 %.
Вариации светимости Солнца, вместе с вулканической деятельностью,
предположительно, способствовали изменению климата в прошлом,
например, во время Маундеровского минимума. Чтобы объяснить нынешнее
изменение климата эти вариации слишком слабы. В последние десятилетия
их влияние незначительно по величине и направлено в сторону похолодания.
Пятый доклад МГЭИК оценивает воздействие Солнца на климат с 1986 года
по 2008 год величиной -0,04 Вт/м2.
Другим аргументом против Солнца как возможной причины
нынешнего потепления является распределение температурных изменений в
атмосфере. Модели и наблюдения показывают, что потепление в результате
усиления парникового эффекта приводит к нагреву нижних слоев атмосферы
(тропосферы) и одновременному охлаждению её верхних слоев
(стратосферы). Если бы потепление было результатом воздействия Солнца,
повышение температуры наблюдалось бы и в тропосфере, и в стратосфере.
Обратные связи и чувствительность климата.
Климатическая система включает в себя ряд обратных связей , которые
меняют реакцию системы на внешние воздействия. Положительные
обратные связи усиливают отклик климатической системы на исходное
воздействие, а отрицательные — уменьшают. [86] К обратным связям
относятся: вода в атмосфере (рост влажности при нагреве воздуха
способствует дополнительному потеплению из-за парниковых свойств
водяного пара) изменение альбедо (площадь снега и льда на планете
уменьшается по мере потепления, что приводит к увеличению поглощения
солнечной энергии и дополнительному потеплению), изменения облачного
покрова (могут воздействовать как в сторону потепления, так и
похолодания), изменения углеродного цикла (например, высвобождение CO2
из почвы). [87] Главной отрицательной обратной связью является увеличение
инфракрасного излучения с земной поверхности в космос по мере ее нагрева.
[88]
По закону Стефана-Больцмана удвоение температуры приводит к
увеличению излучения энергии с поверхности в 16 раз.
Обратные связи являются важным фактором в определении
чувствительности климатической системы к возрастанию концентрации
парниковых газов. Большая чувствительность означает (при прочих равных
условиях) большее потепление при заданном уровне воздействия
парниковых газов. Высокая неопределенность величины некоторых
обратных связей (в особенности облаков и углеродного цикла) является
главной причиной того, что модели климата способны предсказывать лишь
диапазоны возможных величин потепления, а не точные их значения для
заданного сценария эмиссии.
Предполагаемые последствия.
Помимо повышения уровня Мирового океана, повышение глобальной
температуры также приведёт к изменениям в количестве и распределении
атмосферных осадков. В результате могут участиться природные
катаклизмы: наводнения, засухи, ураганы и другие. Потепление должно, по
всей вероятности, увеличивать частоту и масштаб таких явлений.
Другим возможным последствием повышения глобальных температур
является снижение урожаев сельскохозяйственных культур в слаборазвитых
странах Африки, Азии и Латинской Америки и повышение урожаев в
развитых странах (за счёт увеличения концентрации углекислого газа и
удлинения вегетационных периодов).
Потепление климата может привести к смещению ареалов
биологических видов к полярным зонам и увеличить вероятность вымирания
малочисленных видов-обитателей прибрежных зон и островов, чье
существование в настоящее время находится под угрозой.
Взаимное влияние изменения климата и экосистем пока плохо изучено.
Остаётся неясным, усиливаются или ослабляются эффекты глобального
потепления в результате действия природных механизмов. Например,
увеличение концентрации оксида углерода приводит к интенсификации
фотосинтеза растений, что препятствует росту его концентрации. С другой
стороны, нехватка элементов минерального питания и особенно
засушливость климата снижают переработку углекислого газа.
Прогноз МГЭИК.
В докладе рабочей группы межправительственной комиссии по
изменению климата (Шанхай, 2001 год) приведено семь моделей изменения
климата в XXI веке. Основные выводы, сделанные в докладе, —
продолжение глобального потепления, сопровождающегося

увеличением эмиссии парниковых газов (хотя согласно некоторым
сценариям к концу века в результате действия запретов на
индустриальные выбросы возможен спад эмиссии парниковых газов);


ростом поверхностной температуры воздуха (к концу XXI века
возможно увеличение поверхностной температуры в отдельных местах
земного шара на 6 °C);
повышением уровня океана (в среднем — на 0,5 м за столетие)
К наиболее вероятным изменениям погодных факторов относятся



более интенсивное выпадение осадков;
более высокие максимальные температуры, увеличение числа жарких
дней и уменьшение числа морозных дней почти во всех регионах
Земли; при этом в большинстве континентальных районов волны тепла
станут более частыми;
уменьшение разброса температур.
Как следствие перечисленных изменений можно ожидать усиление
ветров и увеличение интенсивности тропических циклонов (общая тенденция
к усилению которых отмечена ещё в XX веке), увеличение частоты сильных
осадков, заметное расширение районов засух.
Межправительственная комиссия выделила ряд районов, наиболее
уязвимых к ожидаемому изменению климата. Это район Сахары, мегадельты Азии, небольшие острова. К негативным изменениям в Европе
относятся увеличение температур и усиление засух на юге (в результате —
уменьшение
водных
ресурсов
и
уменьшение
выработки
гидроэлектроэнергии, уменьшение продукции сельского хозяйства,
ухудшение условий туризма), сокращение снежного покрова и отступание
горных ледников, увеличение риска сильных паводков и катастрофических
наводнений на реках; усиление летних осадков в Центральной и Восточной
Европе, увеличение частоты лесных пожаров, пожаров на торфяниках,
сокращение продуктивности лесов; возрастание неустойчивости грунтов в
Северной Европе. В Арктике — катастрофическое уменьшение площади
покровного оледенения, сокращение площади морских льдов, усиление
эрозии берегов.
Предполагаемые последствия для России
Росгидрометцентр выделяет для России следующие риски, связанные с
глобальным потеплением:

рост повторяемости, интенсивности и продолжительности засух в
одних регионах, экстремальных осадков, наводнений, случаев опасного
для сельского хозяйства переувлажнения почвы — в других;




повышение пожароопасности в лесных массивах;
деградация вечной мерзлоты с ущербом для строений и коммуникаций;
нарушение
экологического
равновесия,
вытеснение
одних
биологических видов другими;
увеличение расходов электроэнергии на кондиционирование воздуха в
летний сезон для значительной части населённых пунктов.
Положительные же изменения, по мнению члена научно-консультационного
комитета климатического центра АТЭС, будут следующими:



увеличение периода навигации на Северном морском пути;
смещение на север северной границы земледелия, и связанный рост
сельскохозяйственных угодий;
снижение расходов энергии на отепление в зимний сезон для
значительной части населённых пунктов.
Вопросы для самоконтроля усвоения материала.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
Что такое глобальное потепление климата?
Насколько увеличилась средняя приповерхностная температура
воздуха в ХХ веке?
В каких пределах вероятно повышение глобальной температуры
в ХХI веке?
Что является причиной глобального потепления климата?
Что такое парниковый эффект?
От чего зависит поток обратного теплового излучения
атмосферы?
Какие вещества относят к парниковым газам?
Какие антропогенные факторы влияют на потепление климата?
Какие природные факторы влияют на потепление климата?
Какие наиболее опасные последствия глобального потепления
климата?
Рекомендованная литература
4. Физическая
география
материков
и
океанов.
Учебник
для
географических специальностей университетов / Ю.Г.Ермаков,
Г.М.Игнатьев, Л.И.Куракова [ и др.]; под общей редакцией
Рябчикова А.М. – М.: Высш. шк., 1988. – 592 с.
5. Изменение
климата
2007.
Обобщающий
доклад
Межправительственной группы экспертов по изменению климата.
6. Кокорин А. О., Кураев С. Н. Обзор доклада Николаса Стерна
«Экономика изменения климата». WWF, GOF. — М.: WWF России,
2007.
7. Копенгагенский диагноз 2009. Обзор последних новостей науки о
климате, — UNSW, Sydney, Australia.
8. John E. Walsh, James E. Overland, Pavel Y. Groisman, Bruno Rudolf.
Ongoing Climate Change in the Arctic. Royal Swedish Academy of
Sciences, 2012.
С2. Парниковый эффект.
Парнико́вый эффе́кт — повышение температуры нижних слоёв
атмосферы планеты по сравнению с эффективной температурой, то есть
температурой теплового излучения планеты, наблюдаемого из космоса.
Идея о механизме парникового эффекта была впервые изложена в 1827
году Жозефом Фурье в статье «Записка о температурах земного шара и
других планет», в которой он рассматривал различные механизмы
формирования климата Земли, при этом он рассматривал как факторы,
влияющие на общий тепловой баланс Земли (нагрев солнечным излучением,
охлаждение за счёт лучеиспускания, внутреннее тепло Земли), так и
факторы, влияющие на теплоперенос и температуры климатических поясов
(теплопроводность, атмосферная и океаническая циркуляция).
При рассмотрении влияния атмосферы на радиационный баланс Фурье
проанализировал опыт М. де Соссюра с зачернённым изнутри сосудом,
накрытым стеклом. Де Соссюр измерял разность температур внутри и
снаружи такого сосуда, выставленного на прямой солнечный свет. Фурье
объяснил повышение температуры внутри такого «мини-парника» по
сравнению с внешней температурой действием двух факторов:
блокированием конвективного теплопереноса (стекло предотвращает отток
нагретого воздуха изнутри и приток прохладного снаружи) и различной
прозрачностью стекла в видимом и инфракрасном диапазоне.
Именно последний фактор и получил в позднейшей литературе
название парникового эффекта — поглощая видимый свет, поверхность
нагревается и испускает тепловые (инфракрасные) лучи; поскольку стекло
прозрачно для видимого света и почти непрозрачно для теплового излучения,
то накопление тепла ведёт к такому росту температуры, при котором
количество проходящих через стекло тепловых лучей достаточно для
установления теплового равновесия.
Фурье постулировал, что оптические свойства атмосферы Земли
аналогичны оптическим свойствам стекла, то есть её прозрачность в
инфракрасном диапазоне ниже, чем прозрачность в диапазоне оптическом,
однако количественные данные по поглощению атмосферы в инфракрасном
диапазоне долгое время являлись предметом дискуссий.
В 1896 году Сванте Аррениус, шведский физико-химик, для
количественного определения поглощении атмосферой Земли теплового
излучения проанализировал данные Сэмюэла Лэнгли о болометрической
светимости Луны в инфракрасном диапазоне[3]. Аррениус сравнил данные,
полученные Лэнгли при разных высотах Луны над горизонтом (то есть при
различных величинах пути излучения Луны через атмосферу), с расчетным
спектром её теплового излучения и рассчитал как коэффициенты поглощения
инфракрасного излучения водяным паром и углекислым газом в атмосфере,
так и изменения температуры Земли при вариациях концентрации
углекислого газа. Аррениус также выдвинул гипотезу, что снижение
концентрации в атмосфере углекислого газа может являться одной из причин
возникновения ледниковых периодов.
Количественное определение парникового эффекта
Суммарная энергия солнечного излучения, поглощаемого в единицу
времени планетой радиусом и сферическим альбедо равна:
,
где
— солнечная постоянная, и — расстояние до Солнца.
В соответствии с законом Стефана — Больцмана равновесное тепловое
излучение
планеты с радиусом
, то есть площадью излучающей
поверхности
:
,
где
— эффективная температура планеты.
Количественно величина парникового эффекта
определяется как
разница между средней приповерхностной температурой атмосферы планеты
и её эффективной температурой .
Парниковый эффект существенен для планет с плотными атмосферами,
содержащими газы, поглощающие излучение в инфракрасной области
спектра, и пропорционален плотности атмосферы.
Следствием парникового эффекта является также сглаживание
температурных контрастов как между полярными и экваториальными зонами
планеты, так и между дневными и ночными температурами.
Таблица 1. Характеристики парникового эффекта
Планета Атм. давление у поверхности, атм.
Венера
90
231 735 504 -
Земля
1
249 288 39 313 200 113
Луна
0
Марс
0,006
↑ Температуры даны в Кельвинах,
температура в полдень на экваторе,
температура.
-
-
0
393 113 280
210 218 8
300 147 153
— средняя максимальная
— средняя минимальная
Природа парникового эффекта.
Парниковый
эффект
атмосфер
обусловлен
их
различной
прозрачностью в видимом и дальнем инфракрасном диапазонах. На диапазон
длин волн 400—1500 нм в видимом свете и ближнем инфракрасном
диапазоне приходится 75 % энергии солнечного излучения, большинство
газов не поглощают излучение в этом диапазоне; рэлеевское рассеяние в
газах и рассеяние на атмосферных аэрозолях не препятствуют
проникновению излучения этих длин волн в глубины атмосфер и
достижению поверхности планет.
Солнечный свет поглощается поверхностью планеты и её атмосферой
(особенно излучение в ближней УФ- и ИК-областях) и разогревает их.
Нагретая поверхность планеты и атмосфера излучают в дальнем
инфракрасном диапазоне: так, в случае Земли при
равном 300 K, 75 %
теплового излучения приходится на диапазон 7,8—28 мкм, для Венеры при
равном 700 K — 3,3—12 мкм.
Атмосфера, содержащая многоатомные газы (двухатомные газы
диатермичны — прозрачны для теплового излучения), поглощающие в этой
области спектра (т. н. парниковые газы — H2O, CO2, CH4 и пр.), существенно
непрозрачна для такого излучения, направленного от её поверхности в
космическое пространство, то есть имеет в ИК-диапазоне большую
оптическую толщину.
Вследствие такой непрозрачности атмосфера становится хорошим
теплоизолятором, что, в свою очередь, приводит к тому, что переизлучение
поглощённой солнечной энергии в космическое пространство происходит в
верхних холодных слоях атмосферы. В результате эффективная температура
Земли как излучателя оказывается более низкой, чем температура её
поверхности.
Влияние парникового эффекта на климат планет
Степень влияния парникового эффекта на приповерхностные
температуры планет (при оптической толщине атмосферы < 1) зависит от
оптической плотности парниковых газов и, соответственно, их парциального
давления у поверхности планеты. Таким образом, парниковый эффект
наиболее выражен у планет с плотной атмосферой, составляя у Венеры
~500 K.
Вместе с тем следует отметить, что величина парникового эффекта зависит
от количества парниковых газов в атмосферах и, соответственно, зависит от
химической эволюции и изменений состава планетарных атмосфер.
Парниковый эффект и климат Земли
По степени влияния на климат парникового эффекта Земля занимает
промежуточное положение между Венерой и Марсом: у Венеры повышение
температуры приповерхностной атмосферы в ~13 раз выше, чем у Земли, в
случае Марса — в ~5 раз ниже; эти различия являются следствием различных
плотностей и составов атмосфер этих планет.
При неизменности солнечной постоянной и, соответственно, потока
солнечной радиации, среднегодовые приповерхностные температуры и
климат, определяются тепловым балансом Земли. Для теплового баланса
выполняются условия равенства величин поглощения коротковолновой
радиации и излучения длинноволновой радиации в системе Земля—
атмосфера. В свою очередь, доля поглощенной коротковолновой солнечной
радиации определяется общим (поверхность и атмосфера) альбедо Земли. На
величину потока длинноволновой радиации, уходящей в космос,
существенное влияние оказывает парниковый эффект, в свою очередь,
зависящий от состава и температуры земной атмосферы.
Основными парниковыми газами, в порядке их оцениваемого
воздействия на тепловой баланс Земли, являются водяной пар, углекислый
газ, метан и озон.
_
Озон_O3 3 — 7 % _
Главный вклад в парниковый эффект земной атмосферы вносит
водяной пар или влажность воздуха тропосферы, влияние других газов
гораздо менее существенно по причине их малой концентрации.
Вместе с тем концентрация водяного пара в тропосфере существенно
зависит от приповерхностной температуры: увеличение суммарной
концентрации «парниковых» газов в атмосфере должно привести к усилению
влажности и парникового эффекта, вызванного водяным паром, который в
свою очередь приведет к увеличению приповерхностной температуры.
При понижении приповерхностной температуры концентрация
водяных паров падает, что ведет к уменьшению парникового эффекта, и,
одновременно с этим при снижении температуры в приполярных районах
формируется снежно-ледяной покров, ведущий к повышению альбедо и,
совместно, с уменьшением парникового эффектом, вызывающим понижение
средней приповерхностной температуры.
Таким образом, климат на Земле может переходить в стадии
потепления и похолодания в зависимости от изменения альбедо системы
Земля — атмосфера и парникового эффекта.
Климатические циклы коррелируют с концентрацией углекислого газа
в атмосфере: в течение среднего и позднего плейстоцена, предшествующих
современному времени, концентрация атмосферного углекислого газа
снижалась во время длительных ледниковых периодов и резко повышалась
во время кратких межледниковий.
В течение последних десятилетий наблюдается рост концентрации
углекислого газа в атмосфере.
Парниковые газы и их свойства
Как уже отмечалось выше, в земной атмосфере парниковый эффект
обусловлен присутствием в ней таких газов, как водяной пар, диоксид
углерода, метан, озон, закись азота и фреоны. Свойства озона и закиси азота
были рассмотрены в предыдущих лекциях. Особенности фреонов,
образуемых в основном техногенными источниками, будут рассмотрены в
дисциплине «Техно и урбоэкология». Свойствам водяного пара будет
посвящена отдельная лекция. Тем не менее, здесь отметим, что этот газ
вносит основной вклад в парниковый эффект земной атмосферы. Основная
часть водяного пара содержится в тропосфере, где его концентрация
существенно зависит от приповерхностной температуры.
Диоксид углерода
Второе место по своему влиянию на парниковый эффект занимает
углекислый газ CO2 (диоксид углерода, двуокись углерода, угольный
ангидрид, углекислота). На его долю ныне приходится парниковый эффект
приблизительно равный 7оС. CO2, - газ, без цвета и запаха, со слегка
кисловатым вкусом. Его плотность при нормальных условиях 1,97 кг/м³. При
атмосферном давлении диоксид углерода не существует в жидком состоянии,
переходя непосредственно из твёрдого состояния в газообразное. Твёрдый
диоксид углерода называют сухим льдом. При повышенном давлении и
обычных температурах углекислый газ переходит в жидкость, что
используется для его хранения. CO2 легко пропускает солнечную радиацию
ультрафиолетового и видимого диапазона. В то же время он поглощает
инфракрасное излучение в диапазоне от 12 до 17 мкм, что и определяет его
свойства как парникового газа.
Постоянный рост концентрации этого газа в атмосфере наблюдается с
начала индустриальной эпохи. Ныне она достигла 0,038 %. Поэтому, по
мнению Международной группы экспертов по проблемам изменений
климата и многих других авторов, именно это вещество играет основную
роль в современном потеплении климата.
Установлено, что содержание СО2 в земной атмосфере в прошлом
существенно изменялось, в соответствии с
изменениями глобальной
температуры земной атмосферы. Концентрации СО2 в воздухе были
максимальны и равны 0.061% в меловом периоде, когда средняя температура
океанических вод достигала +17 °С (291 К).
На протяжении последних 420 тыс. лет преобладали тенденции к
похолоданию климата и уменьшению средних содержаний в воздухе СО2.
При этом имели место колебания температуры между ледниковыми и
межледниковыми эпохами, достигавшие 10 °С.
Концентрации СО2 также изменялись от 0.018 до 0.038%. Очевидно
соответствие между обеими зависимостями. По мнению Сорохтина О.А.
максимумы концентраций СО2 наступали раньше, чем максимумы
температур приблизительно на 600 лет. Причиной этого является закон
Генри, согласно которому растворимость в воде СО2 , тем меньше, чем выше
ее температура. По мнению других авторов подобного опережения нет, хотя
нет и отставания. Поэтому, учитывая выводы теории Кондратьева, можно
заключить, что происходящая ныне в мире борьба с техногенными
выбросами в атмосферу СО2 способна лишь частично решить проблему
глобального потепления климата.
По химическим свойствам диоксид углерода относится к кислотным
оксидам. При растворении в воде образует угольную кислоту. Реагирует со
щёлочами с образованием карбонатов и гидрокарбонатов.
В живой природе СО2 играет существенную роль, участвуя во многих
процессах метаболизма живой клетки. Диоксид углерода получается в
результате множества окислительных реакций у животных, и выделяется в
атмосферу с дыханием. Растения поглощают углекислый газ в процессе
фотосинтеза, а при дыхании и без освещения они тоже его выделяют.
Диоксид углерода не токсичен, но не поддерживает дыхание. Большая
концентрация в воздухе вызывает удушье. Недостаток углекислого газа тоже
опасен, поскольку углекислый газ в организмах животных участвует во
многих физиологических процессах, например, обмене веществ и регуляции
сосудистого тонуса.
Метан
На третьем месте по своему влиянию на парниковый эффект стоит метан
СН4 — простейший углеводород, бесцветный газ без запаха. Он
малорастворим в воде, легче воздуха и не опасен для здоровья человека (если
не считать того, что не поддерживает дыхания и взрывоопасен при
концентрации в воздухе от 5 % до 15 %). ПДК метана в воздухе рабочей
зоны составляет 7000 мг/м3. СН4 горит в воздухе голубоватым пламенем, при
этом выделяется энергия около 39 МДж на 1 м³. С воздухом он образует
взрывоопасные смеси при объёмных концентрациях от 5 до 15 процентов.
Точка замерзания метана -184о С (при нормальном давлении). При равных
концентрациях в воздухе метан создает парниковый эффект в 21 раз более
сильный, чем СО2. В воздухе метан вступает с галогенами в реакции
замещения (например, CH4 + 3Cl2= CHCl3+ 3HCl), которые проходят по
свободно радикальному механизму:
CH4 + ½Cl2 = CH3Cl (хлорметан)
CH3Cl + ½Cl2 = CH2Cl2 (дихлорметан)
CH2Cl2 + ½Cl2 = CHCl3 (трихлорметан)
CHCl3 + ½Cl2 = CCl4 (тетрахлорметан)
Метан — первый член гомологического ряда насыщенных
углеводородов, наиболее устойчив к химическим воздействиям. Он основной
компонент природных (77—99 %), попутных нефтяных (31—90 %),
рудничного и болотного газов (отсюда другие названия метана — болотный
или рудничный газ). В анаэробных условиях (в болотах, переувлажнённых
почвах, рубце жвачных животных) метан образуется биогенно. Основными
биогенными источниками метана являются пищеварительная ферментация у
скота, рисоводство, горение биомассы (в т. ч. пожары в лесах, степях и на
торфянниках), термиты, а также листья тропических растений. Некоторый
вклад в поступление метана в атмосферу дают утечки при разработке
месторождений каменного угля и природного газа, а также эмиссия в составе
биогаза, образующегося на полигонах захоронения отходов.
.Метан на поверхности океана и заснеженных территориях не
образуется. Поэтому над регионами умеренных широт его концентрации в
воздухе летом больше чем зимой. Над тропическими регионами наоборот,
так как бактерии-метаногены обитают лишь во влажной среде (летом
тропические болота пересыхают).
Установлено, что содержание метана в воздухе в прошлом существенно
изменялось. С начала нашей эры в атмосфере преобладает тенденция к
увеличению его содержания. Ныне в атмосфере Земли больше метана, чем в
любое время за последние 400000 лет. В первом тысячелетии нашей эры
концентрации метана возрастали, в результате выжигания лесов, а также
развития земледелия и скотоводства.
С 1000 по 1700 годы концентрация метана упала на 40 %, но в
последующие столетия снова стала расти (предположительно в результате
увеличения пахотных земель, пастбищ и выжигания лесов, использования
древесины для отопления, увеличения поголовья домашнего скота,
количества нечистот, выращивания риса).
С 1750 года средняя глобальная атмосферная концентрация метана
возросла на 150 процентов от приблизительно 700 до 1745 частей на
миллиард по объему (ppbv) в 1998 году. В конце 1970-х годах темпы роста
составляли около 20 ppbv в год. В 1980-х годов рост замедлился до 9-13 ppbv
в год. В период с 1990 по 1998 наблюдался рост между 0 и 13 ppbv в год. В
период после 1999 года концентрация метана остается приблизительно
постоянной и равной 1751 ppbv.
29 января Япония начала тестовое извлечение газа метана из
собственных залежей метангидратов - разновидности природного газа,
запасы которого, по оценке ряда экспертов, могут во многом решить
энергетические проблемы страны. Первые в мире подобные работы
исследовательское судно «Тикю» /»Земля»/ осуществляет в Тихом океане в
70 км к югу от полуострова Ацуми, где в начале этого года было начато
специальное бурение.
В течение минувшего года японские специалисты провели ряд
экспериментов по бурению тихоокеанского дна в поисках метангидратов. В
этом году они намерены опробовать полномасштабную добычу
энергоресурса и выделение из него метана. В случае успеха промышленную
разработку месторождения у полуострова Ацуми начнут в 2018 году.
Метангидрат /или гидрат метана/ - соединение газа метана с водой,
напоминающее по внешнему виду снег или рыхлый подтаявший лед. Этот
энергоресурс широко распространен в природе, например в зоне вечной
мерзлоты. Под дном океана имеются большие запасы метангидратов,
осваивать которые до сих пор считалось невыгодным. Однако японские
специалисты уверяют, что нашли относительно рентабельные технологии.
Запасы метангидратов только в районе к югу от города Нагоя /у
полуострова Ацуми/ оцениваются в 1 трлн кубометров. Теоретически они
могут полностью обеспечить потребности Японии в природном газе в
течение 10 лет. Всего же, по прогнозам специалистов, залежей метангидратов
под океанским дном в прилегающих к японскому архипелагу районах стране
хватит примерно на 100 лет. Тем не менее стоимость этого топлива с учетом
переработки, транспортировки и прочих расходов пока превышает рыночную
цену на обычный природный газ. В настоящее время Япония полностью
лишена энергетических ресурсов и импортирует их. Токио, в частности,
является крупнейшим в мире покупателем сжиженного природного газа.
После же аварии на АЭС «Фукусима-1» и постепенного отключения всех
атомных станций страны потребности Японии в энергоресурсах только
возросли.
Баланс между выбросами метана и процессами его удаления в конечном
итоге определяет концентрации и время пребывания метана в атмосфере примерно 12 лет. В тропосфере метан практически не окисляется. Его
реакции с атомарным хлором и радикалами ОН протекают в стратосфере,
вследствие чего здесь его концентрации в воздухе быстро снижаются.
Доминирующим процессом удаления метана из атмосферы является его
окисление гидроксильными радикалами (ОН). Метан начинает реагировать
с ОН в тропосфере, производя СН3 и воду. В основном этот процесс
протекает в стратосфере, где ОН образуются при фотолизе воды и в других
реакциях. На эти реакции с ОН приходится около 90% удаления метана из
атмосферы.
Кроме реакции с ОН уменьшение концентраций в воздухе метана
происходит в результате его микробиологического поглощения в почвах и
реакции с атомами хлора (Cl)в стратосфере, а также на поверхности моря.
Вклад этих процессов 7% и менее 2% соответственно.
Биогеохимический круговорот углерода
Как следует из изложенного, соединения углерода углекислый газ и
метан в земной атмосфере являются одними из основных парниковых газов.
Поэтому рассмотрим превращения, происходящие с этим элементом в
биосфере.
Если бы человек не сжигал ископаемые
биогеохимический
круговорот
углерода
был
углеводороды, то
бы
практически
сбалансированным, так как количество этого вещества, выделяемое в воздух
в виде СО2 при дыхании живых существ и извержениях вулканов,
практически равно его количеству потребляемому при фотосинтезе и
поверхностью океана. Антропогенный фактор вносит в этот круговорот
разбаланс, что способствует накоплению СО2 в атмосфере.
Действующие ныне биологические механизмы изъятия СО2 из
атмосферы существенно слабее тех, которые необходимы для компенсации
его техногенных выбросов. Как видно из рисунка, общая продукция
органических веществ в результате фотосинтеза 8530γ (в пересчете на
углерод), значительно выше уровня техногенного выброса СО2 350γ. Тем не
менее, большая часть органического углерода, благодаря процессам дыхания,
гниения, пожарам и т. д., снова возвращается в атмосферу в виде СО2 .
Разница между биогенным связыванием (фотосинтез + образование
карбонатов) СО2 и выделением связанного в результате фотосинтеза СО2
(дыхание, пожары и т.п.) невелика и составляет всего 8.8γ , что почти в 50
раз меньше уровня техногенного выброса СО2 в атмосферу.
Парниковая катастрофа ( «жить иль не жить - вот в чем вопрос»)
Карнауховым А.В. проанализирована роль различных биоценозов в
долговременном извлечении СО2 из атмосферы. Показано, что вопреки
распространенному мнению, что "лес - легкие планеты", роль биоценозов
лесов в долговременном связывании СО2 крайне мала, поскольку вследствие
процессов дыхания, гниения отмирающих листьев и древесины, а также
лесных пожаров, практически весь связанный при фотосинтезе углерод
возвращается в атмосферу в виде СО2.
Для долговременного извлечения СО2 из атмосферы необходимо, чтобы
значительная часть связанного углерода оказывалась недоступна для
процессов окисления. Такие условия существуют только в биоценозах болот
и океанических акваторий, расположенных в тропиках, либо таких, где
подобно Черному морю, существуют серводородные зоны.
В биоценозах болот отмирающая растительность попадает в стоячую
воду с крайне низким содержанием растворенного кислорода и
накапливается там, практически не разлагаясь (частичное анаэробное
разложение с образованием метана не меняет общей картины).
Накапливающиеся
в
болотах
частично
разложившиеся
остатки
растительности образуют торфяные пласты, из которых впоследствии
формируются месторождения бурого и каменного угля.
За последние 100 лет общая площадь болот на Земле сократилась почти
в два раза и продолжает сокращаться в результате их осушения.
Соответственно уменьшается и количество консервируемого в них СО2.
Следует отметить, что зачастую осушение болот сопровождается
вымиранием эндемичных видов, приспособленных к существованию в них.
Поэтому восстановление площади болот связано сегодня не только с
трудностью изъятия земель из сельскохозяйственного оборота, но и
невозможностью
восстановления
в
ряде
случаев
полноценных
биоценотических сообществ.
В биоценозах тропических морей изъятие СО2 из океанической воды
производится гетеротрофными организмами при образовании известковых
раковин и чехлов. Практически все карбонаты земной коры (известняки,
доломиты, мрамор, мел и т.д.) имеют подобное биогенное, океаническое
происхождение. Основными поглотителями СО2 в тропических морях
являются коралловые полипы и фораминиферовый планктон. Вместе с тем
случаи гибели кораллов, обусловленной потеплением климата, ныне
отмечаются все чаще, а загрязнение Мирового океана наносит все более
значительный ущерб и фораминиферовому планктону. В результате
возможности консервации СО2 в тропических морях ныне снижаются.
В водоемах, содержащих сероводородную зону, мертвая органика
осаждается в воды, не содержащие кислорода. Достигнув дна, она
разлагается, превращается в сапропель. При этом в атмосферу СО2 не
выделяется, но в водоемах развиваются сероводородные зоны, что сокращает
ареалы обитающих в них аэробов и наносит ощутимый вред их экосистемам.
Анализ абиотических процессов, участвующих в биогеохимическом
круговороте углерода, также показал отсутствие среди них механизмов
поддержания устойчивости химического состава атмосферы Земли (прежде
всего, в отношении СО2 ). Зато оказалось, что в неживой природе существует
немало процессов, реализующих сильную положительную обратную связь
"концентрация СО2 - глобальная температура воздуха". Эти процессы
связаны с природными источниками СО2, из которых потоки этого вещества
в атмосферу возрастают при повышении глобальной температуры
приземного слоя атмосферы Земли. Среди таких источников особо следует
выделить.
Повышение температуры вод Мирового океана, которое приводит к
понижению растворимости СО2 в его воде и выбросу его излишков в
атмосферу. Поскольку в Мировом океане содержится примерно в 60 раз
больше СО2 , чем в современной атмосфере, то потенциально этот источник
СО 2 представляет собой большую опасность.
Значительное количество СО2 (почти в 50 000 раз больше, чем в
атмосфере Земли и примерно столько же, сколько в атмосфере Венеры), в
виде карбонатов кальция и магния (известняки, доломиты, мрамор, мел и
др.), содержится в земной коре. Термическое разложение карбонатов
МАГНИЯ происходит при +330оС (ныне – на глубине 11 км), а карбонатов
КАЛЬЦИЯ при +930 оС. Поэтому смещение в земной коре границ зон их
термической стабильности, вызванное потеплением климата, приводит к
увеличению потоков СО2 , выделяющихся из недр в атмосферу.
В 10 раз больше СО2, чем ныне содержится в атмосфере, способны
выделить в нее и метано-гидратные комплексы, расположенные на дне
Мирового океана. Такие комплексы устойчивы только при высоком давлении
и низких температурах. 1 см3 метано-гидратов способен выделить до 30 см3
метана при нормальном атм. давлении.
Повышение температуры придонных вод Мирового океана может
привести к разложению метано-гидратных комплексов и поступлению в
атмосферу весьма значительных количеств метана, сильнейшего парникового
газа. Это вызовет дальнейшее потепление.
Поскольку природные компоненты биосферы при потеплении климата
лишь увеличивают выброс в атмосферу СО2, а его консервация
биологическими поглотителями способна удалить из нее лишь 2% одних
лишь техногенных выбросов этого вещества, при неизменных
характеристиках прочих факторов потепления, концентрация СО2 в воздухе
могла бы и далее возрастать, вызывая дальнейшее потепление.
Подобный процесс, по законам положительной обратной связи, должен
был бы усиливаться лавинообразно и вызвать катастрофический рост
концентрации СО2 в атмосфере, даже при условии полного отказа от
сжигания углеродсодержащего минерального топлива (уголь, нефть, газ). Он
со временем вызвал бы полное уничтожение жизни на нашей планете,
высвобождение всех запасов СО2 и уподобление атмосферы и климата Земли
соответствующим условиям на Венере. Подобный сценарий необратимых
изменений климата в результате роста концентрации СО 2 впервые был
изучен А.В. Карнауховым и назван "Парниковой катастрофой".
К 2050 году общее повышение глобальной температуры на планете, по
сравнению с доиндустриальной эпохой (1600-1700 годы), при данном
сценарии составляет 1.30 К, что находится в хорошем соответствии с
прогнозами Международной группы экспертов по проблемам изменений
климата и согласуется с палеоклиматическими данными. Дальнейшее
развитие рассматриваемого процесса по данному сценарию приведет к
катастрофическим последствиям на планете уже к концу 21 века.
Повышение глобальных температур даже на 10 оС человечество и
большинство обитателей материков планеты вряд ли переживет. Если же при
этом «мороженного на всех хватит» то дальнейший сценарий не порадует
даже любителей сауны.
Рассмотренный сценарий мог бы реализоваться, если бы единственной
причиной глобального потепления и в самом деле было усиление
парникового эффекта.
К счастью это не так. Данный процесс обусловлен действием и иных, не
менее мощных природных факторов, которые будут рассмотрены в
дальнейших лекциях. Благодаря их действию происходят и неоднократно
происходили в прошлом, как потепления глобального климата, так и его
похолодания. Парниковый эффект усиливал их действие (в обе стороны),
либо ослаблял его. В результате их действия происходящее ныне потепление
может смениться очередным похолоданием.
При возникновении похолодания поток СО2 из недр уменьшается,
вследствие соответствующего смещения нижней границы зоны стабильности
карбонатов, увеличивается и растворимость СО2 в водах Мирового океана.
Это вызывает уменьшение концентраций СО2 и СН4 в атмосфере, которое
перекрывает любые техногенные выбросы этих веществ. В результате
парниковый эффект «сам собой» ослабнет, вызывая дальнейшее снижение
глобальной температуры.
Не следует забывать, что с середины мезозоя (около 150-100 млн лет
назад), на нашей планете происходило постепенное похолодание глобального
климата, так как происходил дрейф континентов в высокие широты, при
котором Антарктиду занесло на Южный полюс, имело место также
существенное уменьшение массы земной атмосферы и ее теплоемкости.
Не верьте в сказки об «устойчивом развитии»! Современное
человечество живет в период межледниковой оттепели, за которой последует
новая фаза сурового оледенения.
Рекомендованная литература
1. Будыко М.И. Климат и жизнь. /М.И.Будыко. Л.: Гидрометеоиздат,
1977.- 181с.
2. Волощук В.М. Глобальне потепління і клімат України: регіональні
екологічні
та
С.Г.Бойченко,
соціально-економічні
С.М.Степаненко
та
аспекти/
ін..К.:
В.М.Волощук,
ВПЦ
Київський
університет. 2002.-115с.
3. Глобальное потепление. Доклад Гринпис / Под ред. Дж.Лаггета. –
М. : Изд-во Московского университета. – 1993. – 272 с.
4. Кондратьев К.Я. Изменения глобального климата: реальность,
предположения и вымысел / К.Я.Кондратьев // Исследования Земли
из космоса. – 2002. – № 1. – С.3 – 31.
Вопросы для самоконтроля усвоения материала.
1.Охарактеризуйте причины возникновения парникового эффекта.
2. Охарактеризуйте проявления парникового эффекта.
3. Охарактеризуйте последствия усиления парникового эффекта.
4. Охарактеризуйте вещества вызывающие образование парникового
эффекта в земной атмосфере.
5. Охарактеризуйте природные источники парниковых газов.
6. Охарактеризуйте антропогенные источники парниковых газов.
Раздел Л3. Проблема разрушения озонового слоя
Озо́н (от др.-греч. ὄζω — пахну) — состоящая из трёхатомных молекул
O3 аллотропная модификация кислорода. Впервые озон был обнаружен в
1785 г. голландским физиком Мишелем ван Марумом по характерному
запаху и окислительным свойствам, которые приобретал воздух после
пропускания через него электрических искр. Однако как новое вещество он
описан не был, ван Марум считал, что в этом эксперименте образуется
особая «электрическая материя».
Термин озон предложен немецким химиком Xенриком Шёнбейном в
1840 г. и вошёл в словари в конце XIX века. Многие источники именно ему
отдают приоритет открытия озона в 1839 г.
Экологические особенности атмосферного озона
Общая масса озона в атмосфере Земли 4·109 т, т.е. 0,64·10-6 от массы
всей атмосферы, средняя стационарная концентрация 1 мг/м3. Несмотря на
это именно благодаря этому веществу современная биосфера имеет свой
нынешний состав и структуру. Именно благодаря ему на Земле существуют
наземные формы жизни, населяющие ее материки и острова, в том числе и
такой вид как человек -разумный.
Вызвано это тем, что в стратосфере озон образует слой, защищающий
все наземные формы жизни от воздействия смертельного для них жёсткого
ультрафиолетового излучения. Происходит это благодаря способности озона
поглощать ультрафиолетовую радиацию с длинами волн в диапазоне от 200
до
320 нм (полоса Гартли- Хиггинса). Еще более короткие волны
эффективно поглощаются кислородом, являющимся одним из основных
компонентов земной атмосферы.
При менее интенсивном поглощении упомянутые составляющие УФизлучения, вызывают рост заболеваемости населения раком кожи
(относительно малоопасного базально-клеточного и смертельно опасной
агрессивной меланомы), саркомой,
повреждением сетчатки глаз и
возникновением катаракты.
Негативным
образом
поглощаемые
озоном
коротковолновые
составляющие УФ - радиации влияют на животных, а также на
фотосинтезирующих растениях, в том числе сельскохозяйственные культуры
и фитопланктон - ключевой компонент многих пищевых цепей на нашей
планете.
Распределение в атмосфере озона также оказывает влияние на климат,
поскольку это вещество обладает свойствами парникового газа. Озон
существенно (всего лишь в 4 раза слабее чем СО2) влияет на термический
режим приземного слоя атмосферы планеты.
В случае удвоения концентрации в атмосфере CO2 вероятно увеличение
средней температуры приземного слоя земной атмосферы на 3–4°С, а в
случае такого же изменения средней концентрации озона это увеличение
составит около 1° С.
Вызвано это те, что в спектре поглощения озона присутствуют мощные
линии с максимумами, соответствующими 5мкм (полоса Шапюи) и 9 мкм,
вследствие чего озон поглощает составляющие спектра теплового излучения,
которые не поглощаются водяным паром, диоксидом углерода и другими
парниковыми газами.
На рисунке 1 приведен иллюстрирующий это спектр поглощения
воздухом электромагнитных волн в диапазоне от 0.3 до 15 мкм.
O3
O3
Рисунок 1. Спектр поглощения воздухом солнечной радиации
диапазоне от 0.3 до 15 мкм .
в
Важной характеристикой экологических особенностей озона является и
то, что это вещество токсично (оно относится к 1 классу опасности).
Вследствие этого тропосферный и в особенности смоговый (приземный)
озон являются опасными загрязнителями воздуха, который может угрожать
здоровью людей и животных, а также повреждать растения.
Малые концентрации озона в воздухе создают ощущение свежести,
однако вдыхание воздуха с концентрацией озона 0,002-0,02 мг/л вызывает
раздражение дыхательных. путей, кашель, рвоту, головокружение, усталость.
В присутствии оксидов азота токсичность озона увеличивается в 20 раз.
Наиболее опасное воздействие на организм человека проявляется в
следующем:
1. Оказывается прямое раздражение и повреждение тканей органов
дыхания.
2. Способствует развитию атеросклероза, воздействуя на холестерин в
крови человека, с образованием в ней нерастворимых форм.
3. Повреждает клеточные и внутриклеточные мембраны, приводит к
образованию во внутриклеточных средах, в том числе и в ядрах, свободных
радикалов, что повреждает хромосомы и вызывает мутации.
Влияние на растения. Озон в клетках растений вызывает диффузию
хлорофилла, разрушая мембраны хлоропластов; уменьшается проводимость
устьиц, что уменьшает продукцию и ослабляет газообмен с атмосферой.
Поэтому увеличение содержания в воздухе озона приводит к повреждениям
листьев, снижению их фотосинтетического потенциала. Ежегодно в странах
Евросоюза снижение урожая зерновых культур и винограда за счет влияния
приземного озона приводит к ущербу 2 млрд. евро.
Влияние на почвы. В результате увеличения концентрации приземного
озона в период, прошедший после начала промышленной революции,
снизилась способность почвенной биоты поглощать СО2 , что является одной
из причин увеличения концентраций этого вещества в воздухе,
наблюдавшегося в XX веке.
По мнению Ситча (Sitch и др. 2007), с учетом этого косвенного
воздействия на климат увеличения концентрации тропосферного озона, его
вклад в потепление, необходимо увеличить почти вдвое. Снижение
загрязнения нижней тропосферы озоном могло бы компенсировать прирост
концентрации в воздухе СО2, произошедшее за 2 последних десятилетия
(Wallack и Ramanathan, 2009).
Нормативы по озону:
максимальная разовая предельно допустимая концентрация
(ПДК м.р.) в атмосферном воздухе населённых мест 0,16 мг/м³
среднесуточная предельно допустимая концентрация
(ПДК с.с.) в атмосферном воздухе населённых мест 0,03 мг/м³
предельно допустимая концентрация (ПДК) в воздухе рабочей зоны
0,1 мг/м³
При этом, порог человеческого обоняния приближённо равен 0,01
мг/м³.[11]
Летальная Доза для мыши 0,046 мг/л ( 2 ч), 3 мг/л ( 5 мин).
Пространственно- временная изменчивость распределения озона
в земной атмосфере.
Распределение озона в земной атмосфере по высоте показано на рисунке
2.
Рисунок 2 Зависимость парциального давления озона от высоты над
земной поверхностью.
Как видим из рисунка 2, с удалением от поверхности Земли,
парциальное давление озона, а значит и его концентрация, растет и
достигает максимума на высоте 23-28 км. Здесь воздух содержит от 3×1011
до 3×1012 молекул в одном кубическом сантиметре. Выше содержание озона
в воздухе монотонно снижается до высоты 90-100 км, где наблюдается еще
один его максимум, в котором парциальное давление озона не превосходит 1
мПа. Далее оно монотонно убывает стремясь к нулю.
Основной характеристикой распределения озона в атмосфере над
различными участками земной поверхности является общее содержание
озона ОСО. Оно впервые было измерено Добсоном (младшим) на
метеостанции п. Ароза (Швейцария) в 1926 году.
На территории СССР аналогичные наблюдения впервые осуществил
академик В. А. Фесенков в Купчино (под Москвой). Ныне в Украине
действуют озонометрические станции в Киеве, Борисполе (под Киевом),
Одессе, Феодосии и Львове, ранее входившие в сеть станций СССР,
функционирующую с 1960 года.
С 1979 года осуществляется глобальный спутниковый мониторинг ОСО,
информация которого представлена в Интернете на сайте WOUDC
(Всемирного центра мониторинга ультрафиолетовой радиации и озона,
расположенного в Торонто, Канада).
ОСО характеризуется толщиной слоя, который мог бы образовать весь
озон, содержащийся в атмосфере над некоторым участком земной
поверхности, если бы его полностью собрать в приземном слое земной
атмосферы и создать в этом слое температуру 0оС и давление равное
нормальному
атмосферному.
Наиболее
распространены
такие
характеристики ОСО как среднесуточное, среднемесячное и среднегодовое
значения, получаемые путем усреднения его мгновенных значений за
соответствующий отрезок времени.
ОСО измеряется в единицах Добсона (е. Д.), в качестве которой
рассматривается 0.01 мм толщины этого слоя. Среднее значение ОСО в
земной атмосфере равно 350 е. Д. Максимальные значения ОСО достигают
650 е. Д. (над Камчаткой и Охотским морем), а минимальные 130 е. Д. в
озоновой дыре, существующей над Антарктидой с мая по ноябрь.
Рисунок 3. Пример распределения ОСО в атмосфере над южным
полушарием земли 12.10.2000 в 12 .00 по гринвичскому времени.
На протяжение всего года не превышают 275 е. Д. значения ОСО над
экваториальным климатическим поясом. Над Украиной на протяжение года
ОСО изменяется в пределах 300-380 е. Д..
У поверхности Земли фоновая концентрация озона в течение суток
проходит через максимум днем в 10-18 ч и минимум перед рассветом в 3-6 ч..
В апреле и мае концентрация озона здесь в 3,5 раза выше, чем в октябре и
ноябре.
В атмосфере городов концентрация озона выше, чем в сельской
местности.
Физические и химические свойства газообразного озона.
Физические свойства
При нормальных условиях озон — голубой газ. При сжижении
превращается в жидкость цвета индиго. В твёрдом виде представляет собой
тёмно-синие, практически чёрные кристаллы.
Строение молекулы озона представлено на рисунке 4:
Рисунок 4. Строение молекулы озона.
Обе связи O-O в молекуле озона имеют одинаковую длину 1,272 Å.
Угол между связями составляет 116,78°.[1]
Центральный атом кислорода sp²-гибридизован, имеет одну
неподелённую пару электронов.
Порядок каждой связи 1,5, резонансные структуры — с локализованной
одинарной связью с одним атомом и двойной с другим и наоборот.
Молекула озона полярна, дипольный момент 0.5337 D.[2]
Молекулярная масса озона — 47,998 а.е.м.
Плотность газа при нормальных условиях — 2,1445 кг/м³.
Относительная плотность газа по кислороду 1,5; по воздуху — 1,62 (1,658
[3]).
Плотность жидкого озона при −183 °C — 1,71 кг/м³
Температура кипения — −111,9 °C.
Температура плавления — -197,2 ± 0,2 °С .
Растворимость озона в воде при 0 °С — 0,394 кг/м³ (0,494 л/кг), она в 10
раз выше по сравнению с кислородом.
В газообразном состоянии озон диамагнитен, в жидком — слабо
парамагнитен.
Запах — резкий, специфический «металлический» (по Менделееву —
«запах раков»).
При больших концентрациях запах озона напоминает запах хлора. Запах
ощутим даже при разбавлении 1 : 100000.
Основными методами, применяемыми для определения содержания
озона являются фотометрический (в УФ области), иодометрический и
люминесцентный .
Химические свойства газообразного озона
Озон — мощный окислитель, намного более реакционноспособный, чем
двухатомный кислород. Окисляет почти все металлы (за исключением
золота, платины и иридия) до их высших степеней окисления. Окисляет он и
многие неметаллы. Продуктом реакции в основном является кислород.
Двуокись азота может быть окислена до трёхокиси азота:
NO2 + O3 → NO3 + O2
с образованием азотного ангидрида N2O5:
NO2 + NO3 → N2O5
Озон реагирует с углеродом при нормальной температуре с
образованием двуокиси углерода:
C + 2 O3 → CO2 + 2 O2
Озон не реагирует с аммониевыми солями, но реагирует с аммиаком с
образованием нитрата аммония:
2 NH3 + 4 O3 → NH4NO3 + 4 O2 + H2O
Озон реагирует с сульфидами с образованием сульфатов:
PbS + 4O3 → PbSO4 + 4O2
С помощью озона можно получить серную кислоту как из элементарной
серы, так и из двуокиси серы:
S + H2O + O3 → H2SO4
3 SO2 + 3 H2O + O3 → 3 H2SO4
В газовой фазе озон взаимодействует с сероводородом с образованием
двуокиси серы:
H2S + O3 → SO2 + H2O
Озон может участвовать в реакциях горения, при этом температуры
пламени выше, чем при использовании для его образования двухатомного
кислорода:
3 C4N2 + 4 O3 → 12 CO + 3 N2
Озон может реагировать с атомарным водородом даже при температурах
77 K (-196 °C) , образуя супероксидный радикал:
H + O3 → HO2 + O
2 HO2 → H2O2+O2
HO2+ O3→ ОН+ O2
Озон может образовывать озониды всех щелочных металлов ,
содержащие анион O3−, которые взрывоопасны и могут храниться при
низких температурах.
2 KOH + 5 O3 → 2 KO3 + 5 O2 + H2O
Высокая окисляющая способность озона и образование во многих
реакциях с его участием свободных радикалов кислорода определяют его
высокую токсичность.
Озон взрывоопасен во всех агрегатных состояниях, примеси повышают
его чувствительность. При содержании озона в озоновоздушной смеси,
превышающем 9%, она взрывается под влиянием внешнего импульса
давления, причем скорость детонации растет от 880 м/с при концентрации 9,2
мол. % озона до 1730 м/с при 77 мол. %.
Озон эффективно убивает плесень и бактерии. Поэтому основная часть
искусственно производимого озона используют для обеззараживания
питьевой воды, что более эффективно, чем хлорирование. Озон используют
также для обезвреживания сточных вод химических предприятий, особенно в
случае фенольных и цианидных загрязнений.
Озон применяют для получения камфоры, ванилина, монокарбоновых и
дикарбоновых к-т (адипиновой, азелаиновой и др.) путем окисления
углеводородов, для отбеливания тканей, изготовления минеральных масел и
др.
Механизмы образования и разрушения озона в стратосфере и
тропосфере
Образование озона
Озон образуется во всех процессах, сопровождаемых появлением
атомарного кислорода,
-при УФ облучении воздуха,
- в электроразрядах,
- при распаде пероксидов, окислении фосфора и т.п.
В стратосфере озон образуется в основном в фотохимических реакциях
цикла Чепмена:
O2 +hν (λ<260нм) = О+О
O2 +О= О3
О3+hν λ<310нм)= О+ O2
Первая реакция этого цикла в условиях стратосферы осуществляется в 5
раз чаще, чем вторая. Поэтому цикл Чепмена – цикл образования
стратосферного озона.
В тропосфере озон в основном образуется при фотолизе NO2.
NO2+hν =NO+O
O2 +О= О3
Часть образовавшегося при этом озона испытывает обратное
превращение:
О3 + NO= NO2+ O2
Эта реакция сопровождается хемилюминесценцией.
Часть озона при этом накапливается в воздухе, поскольку
соответствующее количество молекул NO превращается в NO2 в реакциях с
пероксильными радикалами RO2 :
RO2 + NO= NO2 + RO.
Пероксильные радикалы образуются в воздухе, при окислении
попадающих в него молекул газообразных углеводородов (метана, этана,
бутана пропана и др.). Поэтому загрязнение воздуха этими веществами
приводит к накоплению в воздухе тропосферного озона.
Некоторое количество тропосферного озона образуется в ходе
обратимой реакции:
3O2 + 68 ккал (285 кДж) ←→ 2O3.
Молекула О3 неустойчива и при достаточных концентрациях в воздухе
при нормальных условиях самопроизвольно, за несколько десятков минут,
превращается в O2 с выделением тепла.
Повышение температуры и понижение давления увеличивают скорость
перехода О3 в O2. При больших концентрациях переход может носить
взрывной характер. Контакт озона даже с малыми количествами
органических веществ, некоторых металлов или их окислов резко ускоряет
подобное превращение.
Заметное количество тропосферного озона образуется при грозах (в
каналах молний), а также в лесах (при фотосинтезе).
Техногенными источниками тропосферного озона являются любые
искрящие электрические контакты, взрывы и источники ионизирующего
излучения.
Разрушение газообразного озона
Разрушение озона происходит в трех каталитических циклах. Эти циклы
открыли , и за это получили в 1995 году нобелевскую премию итальянец
Марио Молина, совместно с американцем Франком Роулендом и датчанином
Паулем Крутценом.
Один из них – хлорный:
O3 + Cl→ ClО+О2
ClО+ O3→ Cl+ 2О2
Установлено, что за время нахождения в свободном состоянии один
атом хлора в среднем разрушает 100 000 молекул O3.
Источниками атомарного хлора являются:
Частицы океанического аэрозоля, содержащие в своем составе
75% молекулы NaCl (их за год образуется 1.5*109 тон), которые,
поднимаясь в стратосферу, под действием солнечной радиации
высвобождают Cl.
2.
Фреоны (галогенпроизводные углеводородов), выделяющиеся из
техногенных источников (свалок бытовых холодильников),
которые также, поднимаясь в стратосферу, подвергаются
фотолизу, высвобождая Cl.
Причиной того, что образовавшийся в стратосфере, Cl, спустя некоторое
время перестает разрушать O3, является то, что он связывается в следующих
реакциях:
1.
Cl+ NO→ NOCl (хлористый нитрозил);
2Cl+СО→ СОCl2 (фосген).
2Cl+ СН4→СН2Cl2
Участвующее в данной реакции, NO образуется в стратосфере, в
основном, в результате фотолиза N2 O,поступающего в нее из тропосферы.
СО также поступает главным образом из тропосферы, поскольку
ощутимый фотолиз СО2 начинается лишь на высотах более 100 км.
Второй (а по значимости возможно и первый) цикл – водородный, хотя
правильней его видимо было бы назвать гидроксильным.
O3 + ОН→ НО2+О2
НО2+ O3→ ОН + 2О2
Установлено, что за время нахождения в свободном состоянии один
радикал ОН в среднем разрушает 30 000 молекул O3.
Главным источником ОН является фотолиз водяного пара,
начинающийся на высотах более 15 км под действием солнечной радиации
УФ диапазона:
Н2О+ hν (λ<320нм) = Н+ОН
На высотах более 30 км, где много атомарного кислорода, все более
влиятельными становятся реакции:
О+Н=ОН
СН4+ 3О→ СН2О+2ОН
Причиной того, что образовавшиеся в стратосфере ОН, спустя некоторое
время перестает разрушать O3, является то, что он связывается в следующих
реакциях:
ОН+ NO→ НNO2;
2ОН+СО→ Н2 СО3.
2ОН+ СН4→СН2 ОН2
Несмотря на то, что каждый, образовавшийся в стратосфере радикал ОН,
способен разрушить меньше молекул O3, поток молекул воды, поступающий
из тропосферы в стратосферу существенно больше, чем веществ, способных
выделять хлор. Именно поэтому в южном ( преимущественно океаническом
полушарии планеты) среднее значение ОСО в полтора раза меньше, чем в
северном полушарии, содержащем основную часть техногенных источников
фреонов. По той же причине над экваториальным поясом, где максимален
вынос в стратосферу водяного пара, на протяжение всего года ОСО
существенно меньше, чем над регионами Умеренных климатических поясов.
Третьим по своей значимости является азотный цикл разрушения озона
(цикл Крутцена).
O3 + NO→ NО2+О2
NО2+ O3→ NO + 2О2
Значимость этого цикла зависит от содержания в воздухе NO.
При малых концентрациях этого вещества данный цикл практически не
работает, поскольку гораздо большее влияние играют рассмотренные выше
реакции NO с Cl и ОН, связывающие вещества, которые весьма активно
разрушают О3. Если реакционные потоки Cl и ОН существенно меньше, чем
реакционный поток NO, то реакции цикла Крутцена начинают играть
значимую и даже основную роль. Именно так происходило при испытаниях в
атмосфере ядерных боеприпасов, приводивших к образованию и выносу в
стратосферу огромных количеств NO и NО2.
Способствует повышению значимости азотного цикла также массовый
выброс в атмосферу оксидов азота в результате полетов реактивной авиации,
запусков ракет и применения азотных удобрений.
Вулканические извержения способны по разному влиять на разрушение
стратосферного озона. Если они не сопровождаются очень мощными
взрывами и в стратосферу в основном поднимаются газы (в том числе СН 4,
CO, SO2) , над районами извержений ОСО увеличивается – что и
наблюдается над Камчаткой и Охотским морем, а также Гавайскими
островами и Новой Зеландией. Если при извержениях происходят мощные
взрывы, сопровождаемые выбросом вулканического пепла в стратосферу,
это также приводят к интенсивному разрушению стратосферного озона и
понижению ОСО на 4-8%.
Поскольку реакции O3 с NO, NО2 , Cl и ОН, а также с частицами
аэрозоля протекают также и в тропосфере, именно они играют заметную роль
в
разрушении тропосферного озона. Также участвуют в этом процессе
присутствующие в тропосфере капли и кристаллы воды, образующие облака
и атмосферные осадки. Вследствие высокой химической активности озона,
это вещество не проникает вглубь подобных водных объектов глубже, чем на
3 мкм, реагируя с веществами накапливающимися их поверхностном
микрослое. Поэтому очищению приземного слоя атмосферы от
тропосферного озона способствуют туманы , дожди и снегопады.
Накоплению тропосферного озона в приземном слое атмосферы
способствует загрязнение его CO, а также углеводородами.
Рекомендованная литература
9. Александров Э.Л. Озонный щит Земли и его изменения /
Э.Л.Александров, Ю.А.Израэль, И.Л.Кароль, А.Х.Хргиан. – СПб. :
Гидрометеоиздат, 1992. – 288 с.
10.Перов С.П. Современные проблемы атмосферного озона / С.П.Перов,
А.Х.Хргиан. – Л.: Гидрометеоиздат, 1980. – 287 с.
11.Холопцев А. В. Мировой океан и озоносфера/ Lambert Academic
Publishing.- 2014. – 522c.
Вопросы для самоконтроля усвоения материалы
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
Что такое озон?
Какой запах у озона?
Почему озоновый слой позволяет существовать жизни на суше?
Почему распределение озона в тропосфере влияет на климат?
В каких реакциях образуется стратосферный озон?.
Каковы экологические свойства тропосферного озона?
Какие вещества участвуют в качестве катализаторов в циклах
разрушения озона?
Где на протяжении всего года общее содержание озона в
атмосфере минимально?.
Где образуется озоновая дыра?
Когда образуется озоновая дыра?
С3. Оксиды азота в атмосфере
Соединения азота (селитра, азотная кислота) известны людям с
древнейших времен. Они были открыты задолго до того, как в 1772 году
Даниэль Резерфорд в своей магистерской работе впервые описал азот, как
вещество, которое он называл «испорченным воздухом». Широко применяя
селитру при создании пороха, уже древние китайцы были знакомы с
«селитряным воздухом», газом, который, смешиваясь с воздухом,
сравнительно быстро приобретает бурую окраску (за что он и получил свое
второе название «лисий хвост»). Получил данное вещество впервые в
лабораторных условиях, воздействуя азотной кислотой на медь, в 1772 г.
Джозеф Пристли [87, 88, 98-101]. Именно он дал объяснение изменению его
окраски, как результату окисления в воздухе, происходящего в ходе реакции:
2NO+O2= 2 NO2
(2.7).
Несмотря на то, что в результате открытия Пристли, оксид и диоксид
азота фактически стали известны науке уже в XVIII веке, интерес экологов к
ним значительно возрос лишь в ХХ веке, после того как стали известны их
свойства и роль во многих важнейших процессах, протекающих в живой и
неживой природе.
NO и NO2 участвуют в образовании и ликвидации стратосферного,
тропосферного и приземного озона, обладая способностью связывать
главных его «терминаторов» - атомарный Cl и радикалы ОН, а также участвуя
в азотном цикле его разрушения [62].
Соли азотной кислоты – нитраты,
в небольших количествах
необходимы для формирования белков, образующих организмы растений и
животных, но при увеличении своего содержания, играют роль ингибиторов,
тормозящих биохимические процессы [8, 9].
Реагируя с водой, образующей облака и атмосферные осадки, диоксид
азота образует азотную и азотистую кислоты. Эти вещества при выпадении
на подстилающую поверхность, растворяют горные породы и многие
вещества, входящие в состав почв, образуя нитраты и нитриты- растворимые
в воде соли. Тем самым изменяется содержание в поверхностных и
подземных водах микроэлементов, как необходимых для развития растений
и животных, так и вредных для них. При поступлении в водоемы вод,
загрязненных НNO3 , уменьшаются значения рН в их водах, что оказывает
существенное влияние на развитие водных экосистем [9].
Если в атмосферных осадках кислоты содержатся в избыточных
количествах, при их попадании на эпителии, глаза и другие органы людей,
животных, а также листья растений возникают их химические повреждения.
Было установлено также, что NO2, и NO в приземном слое атмосферы
непрерывно превращаются друг в друга. Приведенная выше реакция
окисления NO протекает в этом слое в любое время суток. Днем более
интенсивно протекает встречный процесс:
NO2+hν = NO+O,
(2.8)
приводящий, в ходе реакции О+О2=О3 , к образованию вещества 1-го
класса опасности - приземного озона, а также не менее вредного
формальдегида, входящих в состав фотохимических туманов и ЛосАнжелесского смога [2]. Поэтому соотношение между концентрациями в
воздухе NO2 и NO днем изменяется в пользу NO, а ночью в пользу NO2.
Вследствие подобных превращений определить, сколько же в воздухе
одного и сколько другого вещества достаточно проблематично. Поэтому как
NO2, так и NO относят к наиболее важным компонентам загрязнения воздуха,
несмотря на то, что существенно более химически активным и токсичным
веществом является NO2.
Основной путь поступления NO2 в организм - респираторный. Данное
вещество может отрицательно влиять на здоровье человека и само по себе,
но последствия существенно усиливаются, когда оно действует в
комбинации с другими загрязняющими веществами.
Наиболее существенно влияет на поражения, вызванные присутствием
в воздухе диоксида азота, его пиковые концентрации. Менее существенно
сказывается суммарная доза.
Кратковременное воздействие 3000-9400 мкг/м3 NO2 у человека
вызывает изменения в легких. Помимо повышенной восприимчивости к
респираторным инфекциям, воздействие диоксида азота может привести к
повышенной чувствительности к бронхостенозу (сужение просвета бронхов)
у чувствительных людей. Даже в небольших концентрациях он раздражает
дыхательные пути, в больших концентрациях вызывает отёк лёгких.
Для людей болеющих астмой и аналогичных больных, дыхание
воздухом загрязненным NO2 повышает риск отрицательных легочных
эффектов. Диоксид азота воздействует не только на дыхательные пути и
легкие, но также вызывает изменения состава крови, в частности, уменьшает
содержание в крови гемоглобина. Его воздействие на организм человека
снижает сопротивляемость к заболеваниям, вызывает кислородное
голодание тканей, особенно у детей. Усиливает действие канцерогенных
веществ, способствуя возникновению злокачественных новообразований.
Перечисленные особенности NO2, а также способность наносить ущерб
здоровью человека уже в низких концентрациях, позволяют относить его ко
2 классу опасности. Максимально разовое ПДК м.р. для NO2 составляет 200
мкг/м3, а среднесуточные ПДК с.с. - 40 мкг/м3. Тем не менее уже при
среднегодовой концентрации в воздухе NO2 , равной 30 мкг/м3, число детей
с учащенным дыханием, кашлем и больных бронхитом увеличивается[89] .
Проблема загрязнения воздуха оксидами азота актуальна для многих
городов Украины.
Диоксид азота (он же оксид азота (IV) – при нормальных условиях
представляет собой газ, красно-бурого цвета, с характерным острым
запахом. В обычном состоянии NO2 существует в равновесии со своим
димером (азотноватым ангидридом) N2O4. Склонность молекулы NO2 к
образованию азотноватого ангидрида объясняется наличием в ней
неспаренного электрона.
При температуре ниже −16 °C диоксид азота образует белые
кристаллы, состоящие только из молекул N2O4. В жидком состоянии NO2
представляет собой красно-бурую жидкость, содержащую, как N2O4, так и
NO2, в которой доля молекул NO2, при температуре кипения не превышает
0.1%.
В газообразном состоянии, при температурах, встречающихся в земной
атмосфере, двуокись азота, также присутствует в основном в виде
азотноватого ангидрида N2O4. При этом доля присутствующих в воздухе
молекул NO2, тем больше, чем выше его температура. [71]. Пары смеси N2O4
и NO2, окрашены в бурый цвет, становящийся с повышением температуры
все интенсивнее, вследствие того, что все большая часть содержащихся в них
молекул азота входит в состав NO2.
Сен-Клер, Девилль и Трост показали, что нагревании до + 140° все
молекулы азотноватого ангидрида превращаются в NO2 , а пары
окрашиваются в черный цвет. Бертело установлено, что реакция разложения
N2O4 = 2NO2 сопровождается поглощением тепла (-13,0 кал./г) [91].
Как установил Фричше, при действии воды на холоде происходит
реакция: 2N2O4 + Н2 О = 2HNO3 +N2O3 [72]. Если вода теплая, то реакция тех
же компонентов приводит к образованию исключительно НNО3, поскольку N
2O3 тотчас разлагается:
2N 2O3 = 2NO + N2O4,
(2.9)
и далее
2 NO +О2 = N2О 4
.10)
.
NO2 отличается высокой химической активностью. Он взаимодействует
с неметаллами (фосфор, сера и углерод горят в нём). В большинстве реакций,
в которых участвует NO2 , это вещество — окислитель. Примерами таких
реакций могут служить:
2NO2 + 2C → 2CO2↑ + N2↑;
10NO2 + 8P → 4P2O5 + 5N2↑ (10NO2 + 2P4 → 2P4O10 + 5N2↑);
(2.11)
(2.12)
NO2 способно окислять SO2 в SO3 — на этой реакции основан
нитрозный метод получения серной кислоты:
SO2 + NO2 → SO3 + NO↑.
(2.13)
Как уже отмечалось выше, при растворении оксида азота(IV) в воде
образуются азотная и азотистая кислоты (реакция диспропорционирования):
2NO2 + H2O ↔ HNO3 + HNO2.
(2.14)
Поскольку азотистая кислота неустойчива, при растворении NO2 в
тёплой воде фактически образуются HNO3 и NO:
3NO2 + H2O → 2HNO3 + NO↑.
(2.15)
Если растворение диоксида азота проводить в воде с избытком
кислорода, та будет образовываться только азотная кислота
4NO2 + 2H2O + O2 ↔ 4HNO3.
(2.16)
Нетрудно видеть, что в данном случае NO2 проявляет свойства
восстановителя.
При растворении NO2 в щелочах образуются как нитраты, так и
нитриты:
2NO2 + 2KOH → KNO3 + KNO2 + H2O.
(2.17)
В жидком состоянии NO2 применяется для получения безводных
нитратов:
Zn + 2N2O4 → Zn(NO3)2 + 2NO
(2.18)
Диоксид азота занимает второе место после диоксида серы по вкладу в
увеличение кислотности атмосферных осадков. В дополнение к косвенному
воздействию (кислотный дождь), длительное воздействие диоксида азота в
концентрации 470-1880 мкг/м3 может подавлять рост некоторых растений
(например, томатов).
Учитывая опасность и существенную пространственно- временную
изменчивость концентраций в воздухе NO2, ныне мониторинг его
концентраций в приземном слое атмосферы ведется во многих странах
Мира.
На рисунке 2.1 приведены зависимости от времени среднегодовых
концентраций в приземном слое земной атмосферы оксида и диоксида
азота , а также суммарных выбросов NO2.
Рисунок 2.1. – Изменения среднегодовых концентраций диоксида и оксида
азота в период 1990–2006 гг. и их суммарных выбросов в атмосферу,
согласно данным [89].
Как видим из рисунка 2.1, обе, представленные на нем зависимости
практически повторяют изменения друг друга, но значения среднегодовых
концентраций диоксида азота несколько выше чем значения
соответствующие оксиду азота. Согласно выводам [89] среднегодовые
концентрации рассматриваемых веществ в различных городах России лежат
в пределах от 16 до 114 мкг/м3. Их значения тем больше, чем больше
численность населения городов. Существенно влияют и характерные для
того или иного города метеорологические условия, а также высота
источников подобных выбросов.
В [90] показано, что для источников малой высоты на побережьях
морей максимальные концентрации в приземном слое атмосферы NO2
больше, чем его средние концентрации в 6–13 раз, а в континентальных
регионах Восточной Сибири из – за высокой повторяемости слабых ветров и
устойчивости приземного воздуха всего в 3,5–4,5 раза. Для высоких
источников горячих выбросов, расположенных в
Восточной Сибири,
максимальные концентрации в приземном слое атмосферы NO2 больше, чем
его средние концентрации в 10–18 раз, в то время как при их расположении
на территории Европейской части, лишь в 4–5 раз.
В годовом ходе изменения концентраций NO2 в городах максимум, как
правило, соответствует зимним месяцам, поскольку именно в это время
значения выбросов из различных техногенных источников повышены.
Минимальные их значения в континентальных регионах отмечаются в июлеавгусте, а в приморских – в мае – июне или сентябре [92]. На северо-западе
России максимум концентрации NO2 приходится на весенние месяцы. При
этом всюду изменения выбросов этого вещества и изменения его средних
концентраций в воздухе слабо коррелированны, что подтверждает
значимость влияния метеорологических факторов.
Окись азота (она же монооксид азота, оксид азота (II), нитрозилрадикал) NO представляет собой бесцветный газ, плохо растворимый в воде.
Сжижается с трудом; в жидком и твёрдом виде имеет голубой цвет.
В спектре поглощения NO присутствует линия с длиной волны 5,3 мкм.
Поэтому оксид азота NO обладает свойствами парникового газа. Тем не
менее существенного влияния на парниковый эффект его присутствие в
атмосфере не оказывает, поскольку его содержание в воздухе весьма не
велико.
Окись азота NO имеет плотность по отношению к воздуху 1,041
(Томсон). При -11° и 104 атмосферах давления он сгущается в бесцветную
жидкость с температурой абсолютного кипения -93°. Наличие неспаренного
электрона обусловливает склонность NO к образованию слабосвязанных
димеров N2O2. Жидкий оксид азота(II) на 25 % состоит из молекул N2O2, а
твердый оксид целиком состоит из них [71].
Оксид азота (II) — единственный из оксидов азота, который можно
получить непосредственно путем химической реакции азота с кислородом
при высоких температурах (1200—1300 °C) или в электрическом разряде. При
этом потребляется тепло.
N2 + O2 → 2NO — 180,9 кДж
(2.19)
Окись азота, по наблюдениям Бертело разлагается лишь при
нагревании до температуры выше +520°С:
2NO = N 2 + O2
(2.20)
2NO = N2O + O,
(2.21)
Первая из приведенных реакций, при которой происходит полное
разложение окиси азота, наступает только при температуре плавления
платины; а при температуре +520°С, преобладает образование закиси азота.
При разложении 2NO = N 2 + O2 выделяется 43,4 кал., а потому
некоторые тела горят в окиси азота более энергично, чем на воздухе.
Горение в NO отличается от горения в чистом кислороде тем, что
гореть способны в окиси азота лишь вещества, температура горения которых
достаточно высока для того, чтобы вызвать разложение NO.
Зажженный фосфор в NO продолжает гореть, а сера и уголь тухнут. Угль
горит лишь, если его предварительно сильно накалить.
При понижении температуры NO может разлагаться на азот и
кислород, но если температура падает резко, то не успевший разложиться
оксид существует достаточно долго: при низкой температуре скорость
распада невелика. Такое резкое охлаждение называется «закалкой» и
используется при одном из способов получения азотной кислоты[72] .
При комнатной температуре и атмосферном давлении окисление NO
кислородом воздуха происходит практически мгновенно:
Для NO характерны также реакции присоединения галогенов с
образованием нитрозилгалогенидов. В них NO проявляет свойства
восстановителя:
2NO + Cl2 → 2NOCl (нитрозилхлорид).
В присутствии более сильных
окислительные свойства:
(2.22)
восстановителей NO проявляет
2SO2 + 2NO → 2SO3 + N2↑.
(2.23)
В воде окись азота мало растворима и с ней не реагирует [76].
NO в организме человека
физиологических воздействий.
обладает
широким
спектром
Размеры молекул NO гораздо меньше, чем других веществ,
вырабатываемых в клетках. Поэтому окись азота способна существенно
быстрее диффундировать через мембрану синтезировавшей его клетки в
межклеточное пространство и легко (без участия рецепторов) проникать в
клетки-мишени. Внутри клетки она активирует одни энзимы и ингибирует
другие, таким образом, участвуя в регуляции клеточных функций. По сути,
монооксид азота является локальным тканевым гормоном [93].
NO участвует в регуляции систем внутри- и межклеточной
сигнализации. Оксид азота, производимый клетками эндотелия сосудов,
отвечает за расслабление гладких мышц сосудов и их расширение. Он также
предотвращает агрегацию тромбоцитов и адгезию нейрофилов к эндотелию,
участвует во многих процессах в нервной, репродуктивной и иммунной
системах.
NO также обладает цитотоксическими и цитостатическими свойствами.
Цитотоксические свойства этого вещества проявляются в том, что клеткикиллеры иммунной системы используют его для уничтожения бактерий и
клеток злокачественных опухолей. С нарушением биосинтеза и метаболизма
(обмена ) окиси азота в организме человека связаны такие заболевания, как
эссенциальная артериальная гипертензия, ишемическая болезнь сердца,
инфаркт миокарда, первичная легочная гипертензия, бронхиальная астма,
невротическая депрессия, эпилепсия, нейродегенеративные заболевания
(болезнь Альцгеймера, болезнь Паркинсона), сахарный диабет, импотенция
и др..
Цитостатические свойства NO состоят в ее способности подавлять
активность бактериальных и опухолевых клеток. Это достигается либо путем
блокирования оксидом азота некоторых их железосодержащих ферментов,
либо путем повреждения их клеточных структур. Одновременно в очаге
воспаления накапливается супероксид О2Н, который вызывает повреждение
белков и липидов клеточных мембран.
NO, избыточно накапливаясь в клетке, может действовать двояко: с
одной стороны вызывать повреждение ДНК и с другой — создавать
противовоспалительный эффект. Повреждение ДНК не всегда вредно.
Пользу оно приносит тогда, когда клетка перестала выполнять свои функции
и
для
ее
уничтожения
необходимо
инициировать
апоптоз
(запрограммированный процесс клеточного «самоубийства»).
NO — токсичен, при вдыхании поражает дыхательные пути. Вместе с
тем проникая в кровь, тоже вещество способно инициировать образование
кровеносных сосудов. Последнее чрезвычайно важно при лечении инфаркта
миокарда, в котором оксид азота играет положительную роль, так как
индуцирует новый сосудистый рост.
При онкологических заболеваниях накопление в тканях моноокисида
азота весьма опасно, поскольку ускоряет развитие опухолей, способствуя
питанию и росту раковых клеток.
Очищение крови от NO происходит путем образования нитритов и
нитратов и составляет в среднем не более 5 секунд. В 1998 году трое
американцев — Р. Фурчготт, Л. Игнарро и Ф. Мюрад — были удостоены
премии Нобелевского комитета по физиологии «за открытия, касающиеся
роли окиси азота, как сигнальной молекулы в сердечно-сосудистой системе»
[94].
Распределения в атмосфере NO2, NO, имеют слоистую структуру.
Соответствующие слои располагаются в стратосфере. У земной поверхности
концентрации этих веществ весьма не велики и ощутимы лишь вблизи
источников их техногенных выбросов.
Данные мониторинга химического состава атмосферных осадков,
выпадающих во многих регионах Мира[76], свидетельствуют о том, что за
последние десятилетия, совпавшие с периодом современных изменений
климата, закисление атмосферных осадков в городах оксидами азота
практически повсеместно возросло.
Заметную роль в происходящих процессах потепления играет
увеличение содержания в воздухе такого парникового газа, как закись азота
(N2O)или оксида азота 1.
При прочих равных условиях N2O создавало бы парниковый эффект в
310 раз сильней чем СО2. Ныне вклад данного парникового газа в потепление
относительно невелик лишь благодаря многократно меньшему его
содержанию в воздухе, которое за период индустриальной революции
ощутимо возросло. Основная причина этого – развитие сельского хозяйства,
вызванное
ростом
численности
населения
планеты
(процессы
денитрификации, в которых образуется N2O, весьма интенсивно протекают в
почвах пашен, в которые вносятся азотные удобрения).
Протекает
денитрификация также в болотах, поверхностных слоях водоемов,
организмах домашних животных, в некоторых тропических растениях.
Так как N2O сильнейший из всех известных парниковых газов,
уменьшение выбросов этого вещества в
атмосферу представляется
целесообразным, несмотря на то, что компонентом ее загрязнения (в смысле
упомянутых выше определений этого понятия) оно не является. Более того,
на здоровье человека влияет лишь положительно (повышая настроение и
вызывая смех - вследствие чего его называют «веселящим газом»). Именно
поэтому N2O все чаще применяют при производстве газированных
безалкогольных напитков. Благодаря своему обезболивающему действию и
нетоксичности, N2O широко применяют также в качестве в медицине при
анестезии.
Данное вещество все шире применяют также как присадку к топливу,
используемому в автомобильных двигателях, приводящую к повышению их
эффективности. Учитывая рост численности автомобилей, используемых
человечеством, их выхлопные газы также являются существенным
источником роста содержания в воздухе N2O.
Природными источниками NO2 и NO в приземном слое тропосферы
являются ее верхние слои, где это вещество образуется при грозах, в каналах
молний, а также подстилающая поверхность (почвы и водоемы) где обитают
микроорганизмы, участвующие в реакциях биогеохимического цикла азота
[2]. В стратосфере NO2 и NO образуется при окислении одноатомным
кислородом закиси азота. Резервным фондом этого круговорота является
атмосфера, из которой основная часть молекулярного азота (около 1,4×108
т/год) фиксируется биотическим путём [9].
Способностью
связывать
молекулярный
азот
обладают
азотфиксирующие микроорганизмы (весьма распространённые в почве и
водоемах): это бактерии Azotobacter и Clostridium, клубеньковые бактерии
бобовых растений Rhizobium, цианобактерии Anabaena, Nostoc и др. Они
обитают на корнях и в организмах ряда наземных и водных растений. От
такого симбиоза растений и азотфиксирующих бактерий выигрывают как
растения, так и микроорганизмы— первые предоставляют вторым «место
для проживания» и снабжают полученным в результате фотосинтеза
«топливом» — глюкозой, вторые обеспечивают необходимый растениям
азот в усваиваемой ими форме [73]. Способностью фиксировать
молекулярный азот обладают также многие другие организмы, обитающие и
в воде, и почве, например, актиномицеты в клубнях ольхи и других деревьев
(всего таких известно 160 видов) [8].
Все азотфиксирующие организмы превращают молекулярный азот в
соединения аммония (NH4+). Этот процесс требует значительных затрат
энергии (для фиксации 1 г атмосферного азота бактерии в клубеньках
бобовых расходуют порядка 167,5 кДж, то есть окисляют примерно 10 г
глюкозы) [9].
Соединения аммония, получающийся в процессах биогенной
азотфиксации, быстро окисляются, превращаясь в нитраты и нитриты (этот
процесс носит название нитрификации).
Нитраты частично потребляются из почвы растениями. Остаток
уносится поверхностным либо подземным стоком в водные объекты суши и
далее в Мировой океан, либо подвергается микробиологической
денитрификации. Поток нитратов поступающих за год в Мировой океан
оценивается [91]в 2,5—8×107 т.. Нитраты, которые не были потреблены
растениями либо смыты в водные объекты, подвергаются биологической
денитрификации.
При
этом
соответствующие
микроорганизмы
последовательно превращают их в NO, N2O, N2. Эти процессы происходят как
в аэробных, так и анаэробных условиях.
Растения используют потребленные нитраты при синтезе белков, из
которых состоят их организмы. Они частично отмирают, частично
потребляются животными, при этом содержащиеся в них соединения азота
переходят в организмы животных.
Животные также отмирают. Кости, зубы, когти, перья и чешуя
осаждаются на дно водоемов, образуя современные осадочные породы.
Мягкие ткани мертвых растений и животных разлагаются редуцентами до
уровня аминокислот.
Аминокислоты из которых ранее состояли ткани растений и животных,
после их гибели подвергаются биогенной аммонификации - ( превращению
аммонифицирующими бактериями в аммиак и ионы аммония).
Аммиак образуется и в недрах Земли, откуда через вулканы и другие
каналы дегазации выделяется в морскую среду и атмосферу.
Аммиак преобразуется нитритными бактериями в нитриты.
Нитриты преобразуются нитратными бактериями в нитраты.
В отсутствие деятельности человека процессы фиксации (связывания)
азота
и
нитрификации
практически
полностью
уравновешены
противоположными реакциями денитрификации [2].
Существенного усиления грозовой активности в современный период в
большинстве регионов Мира не зафиксировано [95]. Не выявлено также
ощутимого увеличения продуктивности микроорганизмов, вырабатывающих
оксиды азота в почвах и водоемах.
Для экологически благополучных районов Евразии значения фоновой
концентрации оксидов азота ныне, как и прежде, лежат в диапазоне: от 0,08
мкг/м3 (Арктика), до 1,23 мкг/м3 (средние широты). В тоже время типичные
значения среднегодовых концентраций диоксида азота в воздухе многих
городов уже достигают— 20-90 мкг/м3 (а максимальные концентрации здесь
превышают 240-850 мкг/м3, что гораздо выше максимально разовых ПДК).
Учитывая изложенное, основной причиной наблюдаемого в
современный период увеличения концентраций оксидов азота в приземном
слое атмосферы городов следует считать увеличение их выбросов из
антропогенных источников.
Особенности антропогенных источников NO2, NO - потоков этих
веществ, возникающих при работе транспорта, тепловых электростанций,
котельных, взрывов, а также сельского хозяйства, где применяются азотные
удобрения, будут рассмотрены в главах 5 и 6..
Рекомендованная литература
1.5. А. В. Гончаренко, Ю.В. Зайончковский. География физическая,
экономическая и социальная. Учебное пособие для школьников,
абитуриентов и студентов./Харьков. Парус. – 2005. - 503с.
1.6. И.П.Магидович, В.И. Магидович Очерки по истории
географических открытий. //М. Просвещение.Т1-1983.- 286с., Т21983. -398с., Т3-1984. – 319Сс., Т4- 1985. -335с. Т5 -1986 – 223с.
Вопросы для самоконтроля усвоения материала.
1. Охарактеризуйте природные источники NO2 и NO в атмосфере.
2. Охарактеризуйте биогеохимический круговорот азота.
3. Охарактеризуйте физико-химические свойства оксида азота.
4. Охарактеризуйте физико-химические свойства диоксида азота.
5. Охарактеризуйте влияние атмосферных осадков, загрязненных
азотной кислотой, на наземные и водные экосистемы.
6.
Охарактеризуйте
сезонную
изменчивость
интенсивности
образования окислов азота в атмосфере и причины, вызывающие ее.
7. Охарактеризуйте влияние оксида азота на здоровье человека.
8. Охарактеризуйте влияние диоксида азота на здоровье человека.
Раздел Л4. Принципы рационального природопользования
Рациональное природопользование - система природопользования, при
которой:
- достаточно полно используются добываемые природные ресурсы и
соответственно
уменьшается
количество
потребляемых
ресурсов;
- обеспечивается восстановление возобновимых природных ресурсов;
полно
и
многократно
используются
отходы
производства.
Система рационального природопользования позволяет значительно
уменьшить
загрязнение
окружающей
среды.
Рациональное
природопользование характерно для интенсивного хозяйства.
Рациональное природопользование
- это система деятельности,
призванная обеспечить наиболее эффективный режим воспроизводства и
экономной эксплуатации природных ресурсов с учетом перспективных
интересов развивающегося хозяйства и сохранения здоровья людей.
Существуют
три
природопользования».
основные
парадигмы
«рационального
Первая парадигма основана на идее о том, что наилучшим является
минимальное использование природных ресурсов. Согласно принципу
«минимизации воздействия», права на использование ресурсов должны
находиться в руках локальных групп населения, то есть людей,
проживающих в небольших поселениях и заинтересованных в том, чтобы
жить в гармонии с природой.
Вторая парадигма базируется на идее оптимального использования
природных ресурсов. Под оптимальностью понимается извлечение из
природы такого объема ресурсов, которое позволяет каждому члену
растущего общества неуклонно повышать уровень своего благосостояния
(небольшой, но одинаковый прирост ежегодного потребления для общества)
Третья парадигма базируется на принципе максимизации использования
природных ресурсов для максимально возможного увеличения
благосостояния населения. Согласно этой парадигме, все члены общества
стремятся к максимизации использования природных ресурсов.
Природные ресурсы и их классификация.
Природные ресурсы — это те средства существования людей, которые
не созданы их трудом, но находятся в природе. К ним относятся вода, почвы,
растения, животные, минералы, которые используются непосредственно или
в переработанном виде. Природные ресурсы дают людям пищу, одежду,
кров, топливо, энергию, сырье для промышленности.
Наиболее распространенной является природная классификация по
основным компонентам окружающей среды. В соответствии с ней все
природные ресурсы разделяются на:
а) Минеральные;
б)Земельные;
в)Водные;
г)Лесные;
д)Животный мир.
Минеральные ресурсы. К ним относят руды металлов и неметаллов,
нефть, газ, уголь, подземные воды. Полезные ископаемые можно
использовать один раз, после этого они иссякают. Темпы их образования
неизмеримо медленнее, чем темпы добычи. Поэтому в будущем человечеству
потребуется поиск средств и методов более эффективного использования
невозобновимых ресурсов, в том числе методов переработки вторичного
сырья.
О том, насколько велика роль минеральных ресурсов в жизни человека,
свидетельствуют названия определенных периодов материальной культуры каменный век, бронзовый век, железный век.
В настоящее время используются почти все элементы периодической
системы Д. И. Менделеева. Степень применения и переработки
многочисленных видов минерального сырья определяет прогресс и
благосостояние общества. Основными сырьевыми ресурсами служат
металлы, вода, минеральное и органическое сырье.
Некоторые минералы так же важны для жизни людей, как воздух и вода.
Например, поваренная соль была объектом торгового обмена на протяжении
многих веков. Это важнейшее промышленное сырье, запасы которого
имеются в изобилии. Велики запасы и неметаллических полезных
ископаемых: глины, извести, песка и гравия, фосфоритов, калийной соли,
слюды.
Иначе обстоит дело с минеральным топливом и металлами. Запасы
многих из них довольно ограничены, поэтому должны находиться под
охраной как исчерпаемые ресурсы.
Земельные ресурсы. Почва—основа всех материальных благ, главное
богатство, от которого зависит существование человека. Она представляет
собой естественно-историческое биокосное тело, возникшее в результате
воздействия живых и мертвых организмов, атмосферы и природных вод на
поверхность горных пород в обстановке различного климата и рельефа и в
условиях земной гравитации.
Из общей площади поверхности земного шара, равной 510 млн. км2, на
долю суши приходится 149 млн. км2 (29,2%). Земельный фонд планеты
состоит из разнообразных категорий земель: ледники, полярные и
высокогорные пустыни, тундры и лесотундры, болота, земледельческая
площадь, аридные пустыни, скальные грунты и прибрежные пески, земли
промышленного и городского назначения, пастбища и луга.
Водные ресурсы - количество подземных и поверхностных вод, которые
могут быть использованы для различных целей в хозяйстве (особое значение
имеют ресурсы пресных вод, основным источником которых являются
речные воды). Вода – основа жизни на Земле и ее родина. Гидросфера –
самая тонкая оболочка Земли, потому что на воду во всех ее состояниях и во
всех сферах приходится менее 0,001 массы планеты. Природа устроена так,
что вода постоянно обновляется в едином гидрологическом круговороте и
охрана водных ресурсов должна осуществляться в самом процессе
использования вод путем влияния на отдельные звенья круговорота воды.
Потребности в воде возрастают из года в год. Основными потребителями
воды являются сельское хозяйство и отрасли промышленности (черная
металлургия, химия, нефтехимия и теплоэнергетика).
Лесные ресурсы. Лес играет огромную роль в сохранении водных и
земельных ресурсов, в улучшении окружающей среды. Леса выполняют
важнейшие средообразующие функции:
1. полезащитную;
2. почвозащитную (противоэрозионную);
3. климатообразующую.
Кроме того, леса выполняют и космическую роль, участвуя в процессе
фотосинтеза, т.е. превращения косной материи в органическую, и во многом
определяя биогеохимические циклы.
Если все растения Земли (наземные и водные) создают в год 100 млрд.т
фитомассы (в абсолютно сухом состоянии), то на растения суши приходится
64 млрд.т, из них на леса — 38 млрд. т (60 %). Очень важно и то
обстоятельство, что леса на длительное время фиксируют в древесине
органическое вещество.
Общий запас древесины в мире составляет 358 млрд. м3, из которых на
долю нашей страны приходится 80 млрд. м3. Ежегодно во всем мире
потребляется большое количество древесины, которая используется в
качестве топлива, строительных материалов и сырья в целлюлозно-бумажной
промышленности.
Животный мир. На Земле обитает примерно 1,5 млн. видов живых
организмов, из которых 1 млн. составляют животные. Однако соотношение
биомасс животных и растений обратное: биомасса животных составляет
лишь около 1 % общей биомассы живых организмов в биосфере.
Взаимоотношения человека и животного мира сложны и многообразны.
Животные служат источником пищи, меха, некоторых сырьевых ресурсов и в
то же время могут быть переносчиками возбудителей заболеваний или
опасных вредителей сельского хозяйства, например, при вспышках массовых
размножении или нашествиях насекомых. Все животные существуют в
форме популяций в определенных стациях обитания.
Непрерывно возрастающий уровень воздействия человека на природные
системы (гидротехническое строительство, урбанизация, вырубка лесов,
распашка целинных степей, химизация сельского хозяйства) Способствует
уменьшению численности или исчезновению ряда видов животных. За
последние 370 лет, по некоторым Данным, исчезло 130 видов птиц и
млекопитающих, а в красную книгу ныне включены десятки видов
животных, находящихся под угрозой исчезновения, популяции которых
исчисляются буквально десятками особей. Некоторые виды (например, зубр)
существуют только в заповедных условиях в виде полудомашних стад.
Часть видов исчезла в результате прямого преследования и
перепромысла. В ряде случаев человек в массе уничтожал некоторых
животных, угрожавших жизни людей или сельскому хозяйству.
К ресурсам животного мира относятся также домашние животные
(мясомолочные, пушные, вьючные, декоративные) и дикие виды, разводимые
в условиях звероферм для получения меха.
С целью сохранения животных создают заповедники и заказники,
ограничивают добычу и разрабатывают мероприятия по воспроизводству
полезных и ценных видов.
Экологическая классификация природных ресурсов основана на
принципах исчерпаемости и возобновимости. В соответствии с ней
природные ресурсы разделяются на:
· неисчерпаемые, использование которых не приводит к видимому истощению их запасов (солнечная энергия, энергия воды и ветра, земное
тепло);
· исчерпаемые невозобновимые, непрерывное использование которых
может привести к уменьшению до уровня, при котором дальнейшая
эксплуатация становится невозможна или экономически нецелесообразна.
При этом они не способны к самовосстановлению за сроки,
соизмеримые с периодом потребления (минерально-сырьевые ресурсы);
· исчерпаемые возобновимые, которым свойственна возможность восстановления (флора, фауна, вода). В этой группе выделяются ресурсы с
крайне медленным возобновлением. Это леса и плодородные земли.
4. Принципы рационального природопользования и малоотходных
технологий.
Совершенствование ресурсных циклов является магистральным путем
перехода к рациональному природопользованию и базируется на нескольких
общих правилах и принципах, которые можно использовать в любой области
природопользования и производства. Эти принципы можно сформулировать
следующим образом:
• Принцип системного подхода предусматривает всестороннюю
комплексную оценку воздействия производства на окружающую среду и ее
ответных реакций. С позиции системного подхода ни один ресурс не может
использоваться или охраняться независимо от другого.
• Принцип оптимизации природопользования заключается в применении
наиболее целесообразных решений об использовании природных ресурсов и
природных систем на основе одновременного экологического и
экономического подхода, прогноза развития различных отраслей и регионов.
• Принцип опережения темпов заготовки сырья темпами выхода
конечной продукции основан на снижении количества образующихся в
процессе производства отходов, т. е. на более полном использовании и
уменьшении количества исходного сырья, затрачиваемого на единицу
продукции.
• Принцип гармонизации отношений природы и производства
заключается в создании и эксплуатации природно-технических систем,
обеспечивающих, с одной стороны, высокие производственные показатели, а
с другой — поддержание в зоне своего влияния благоприятной
экологической обстановки. Гармонизация отношений природы и человека
изучается теорией коэволюции (взаимосвязанной совместной эволюции
человека и природы). Общество может жить и развиваться только внутри
биосферы и за счет ее ресурсов, поэтому оно жизненно заинтересовано в ее
сохранении. Однако из-за того, что эволюция природы идет очень медленно,
а социальная эволюция человека быстро, многие виды не успевают приспособиться и вымирают. Общество должно сознательно ограничить свое
воздействие на природу, чтобы обеспечить возможность дальнейшей
коэволюции.
•
Принцип
меры преобразования
природных
систем. В ходе
эксплуатации природных систем нельзя переходить пределы, позволяющие
этим системам сохранить свойство самоподдержания (саморегуляции и
самоорганизации), т. е. необходимо учитывать их ассимиляционную емкость,
количество изымаемого природного ресурса, структуру экосистемы и другие
факторы,
обеспечивающие
ее
функционирование.
• Принцип саморегуляции. При создании техногенных комплексов
необходимо учитывать, что способностью к саморегуляции и саморазвитию
могут обладать не только биологические, но отчасти и рационально
созданные производственные и природно-техногенные системы, что
позволяет значительно снизить их негативное влияние на биосферу и затраты
на поддержание устойчивости.
• Принцип комплексного использования природных ресурсов и
концентрации производства на базе имеющихся в регионе сырьевых,
энергетических, демографических ресурсов заключается в создании
территориальных производственных комплексов, которые позволяют более
полно использовать природные ресурсы, тем самым снизив количество
отходов и вредную нагрузку на окружающую среду. Такие комплексы имеют
специализацию, сконцентрированы на определенной территории, обладают
единой производственной структурой и совместными усилиями
обеспечивают
охрану
окружающей
среды.
• Принцип безотходности. Отходы, образующиеся в результате
использования одного природного ресурса, должны использоваться или
служить сырьем для другого производства. Этот принцип фактически
дополняет предыдущий, так как его можно сформулировать и несколько
иначе — необходимо создание таких производственных комплексов, в
которых образующие их предприятия утилизируют отходы друг друга.
Таким образом, рациональное природопользование и экологическая
оптимизация промышленности предусматривают создание экологопроизводственных комплексов, направленных на комплексное использование
и полную утилизацию вовлекаемых в ресурсные циклы веществ и энергии,
подобно тому, как в природе миллионы лет осуществляется естественный
биогеохимический круговорот. Внедрение таких замкнутых циклов означало
бы полностью безотходное производство. Однако в реальной жизни какое-то
количество отходов неизбежно, поэтому необходимо
малоотходным и ресурсосберегающим производствам.
стремиться
к
Под безотходной (малоотходной) технологией подразумевается такой
способ производства, при котором наиболее рационально и комплексно
используются сырье и энергия в цикле «сырье — производство — потребление
—
вторичные
сырьевые
ресурсы».
Основные направления развития малоотходных и ресурсосберегающих
технологий
следующие
[37]:
— все производственные процессы должны осуществляется при минимальном числе технологических этапов, поскольку на каждом образуются
отходы,
и
теряется
сырье;
— технологические процессы должны быть непрерывны, что позволяет
наиболее эффективно использовать сырье, оборудование и энергию;
— мощность технологического оборудования должна быть оптимальной, что
определяет максимальный коэффициент полезного действия и минимальные
потери;
— при разработке технологического оборудования необходимо предусматривать широкое использование автоматических систем, обеспечивающих
оптимальное ведение технологических процессов и качество продукции, с
минимальным
выходом
вредных
веществ;
— выделяющаяся в различных технологических процессах теплота должна
быть использована, что позволит сэкономить энергоресурсы и снизить
тепловую
нагрузку
на
окружающую
среду.
Постепенный переход на малоотходные и ресурсосберегающие технологии в
производстве приведет к значительному снижению нагрузки на окружающую
среду
и
повышению
эффективности
природопользования.
Но современный технологический уровень не позволяет в короткие сроки
осуществить переход к малоотходному хозяйствованию и ликвидировать
негативные последствия развития производства. С учетом этого в различных
отраслях промышленности могут реализоваться различные природоохранные
мероприятия:
— инженерные мероприятия направлены на совершенствование существующих и разработку новых технологических процессов, материалов и
машин с целью исключения или смягчения негативных воздействий на
природную
среду;
— технологические мероприятия позволяют изменить показатели и характеристики источников воздействия на биосферу, определяющие их
интенсивность;
— организационные мероприятия связаны с совершенствованием управления, структуры и функционирования новых или действующих природнопромышленных
систем;
— экологические мероприятия обеспечивают использование потенциала
самоочищения или самовосстановления природной среды.
Первые государственные природоохранные акты относятся ко времени
Киевской Руси. Они связаны с именами князя Ярослава Мудрого и его
преемников в XI—XIIвеках. Предусматривались штрафы и возмещения
убытка за хищения добычи из ловчих орудий и охоту на чужих землях, за
разорение гнезд диких пчел.
Уже в 1199 году на территории Беловежской Пущи был строго
регламентирован отстрел животных, а в конце XIV века запрещен совсем. С
этого времени Беловежская Пуща является заповедником.
В XV веке в защиту дубов сыграло выделение засеченных лесов, в
которых было запрещено рубить деревья.
В XVI веке был опубликован царский документ о значении леса как
среды обитания ценных животных. Во времена царствования Алексея
Михайловича (вторая половина XVI века) было принято около 70 указов,
ограждающих от истребления ценных промысловых животных, определены
были и меры наказания за нарушение установленных правил. Например, для
охраны соболя были созданы заповедные угодья в бассейнах рек Ангары и
Кан. Запрещалась охота вокруг Москвы.
В начале XVII века Петр издал указы по охране и посадке лесов, охране
рек от загрязнения, укреплении их берегов, регламентации рыболовства и
лова жемчужин, охране почв и т. д. Указы Петра имели ярко выраженное
общегосударственное значение. Им основано степное лесоразведение,
созданы аптекарские огороды, сады, парки в Петербурге и Москве. Им
применялись крутые меры за недозволенную охоту. Изыскивалось по 100
рублей со всякого человека, невзирая па его чины и сословие, применялась
ссылка в Азов на вечное жительство. При жизни Петра эти природоохранные
законы выполнялись очень строго, но при последующих правителях
внимание к ним ослабло.
Екатерина I издала указ о разрешении помещикам вырубать леса, что
привело к безудержному их уничтожению. Принимались меры по
обогащению фауны вокруг Москвы и Санкт-Петербурга. Например, в 1737
году было приказано завозить по несколько сотен зайцев, серых куропаток и
по сотне соловьев. В 1773 году в законе об охоте запрещалось убивать и
ловить зверей, птиц в период их размножения. Зона с запрещенной охотой
была установлена для Москвы — до 50 верст, для Санкт-Петербурга — до
100 верст. Добыча хищных зверей разрешалась в течение года,что привело к
резкому их окращению. Бессистемная вырубка лесов при Екатерине I
привела в средней полосе России к обмелению рек, климат стал суше. За
период 1888-1914 гг. было вырублено 26 млн га лесов. Уничтожение лесов
породило проблему по их восстанов- х лению.
С 1809 года в Полтавской губернии начали создавать лесонасаждения, в
которых поля перемешивались с лесным массивом. В 1813—1819 годах было
заложено 400 хвойных лесов в Херсонской губернии. В 1843 году началась
закладка насаждений знаменитого Велико-Анадольского лесничества.
Начало научной разработки способов степного лесоразведения положено
выдающимся русским почвоведом В.В. Докучаевым. Работами особой
экспедиции Лесного департамента были заложены первые лесополосы в
Каменной степи. С 1844 по 1917 годы защитное лесоразведение было
проведено на площади 1209 тыс.га.На рубеже XIX-XX веков начало активно
формироваться общественное движение за охрану природы России.
С 1905 года московское общество испытателей природы регулярно
рассматривало на своих заседаниях вопросы охраны природы, появились
природоохранные группы.
Первое российское общество охраны природы было создано П.Ф.
Бузуком, учителем из Екатеринославской губернии, а в Петербурге
действовало российское общество покровительства животным. К этому
времени относятся термины и понятия охрана природы, памятник природы.
Большой вклад в природоохранное дело внесло Русское географическое
общество, имеющее отделения на местах.
По инициативе академика И.П. Бородина (1812 год) при Русском
географическом обществе была создана постоянная природоохранная
комиссия, цель которой заключалась в том, чтобы вызвать интерес широких
слоев населения и правительства к вопросам охраны памятников природы
России.
Определенную роль в общественном природоохранном движении играли
съезды и конференции. Перспективы организации заповедников
рассматривались на съезде общества акклиматизации животных и растений в
1908 году, на XI и XII съездах Ассоциации русских естествоиспытателей и
врачей (1904-й и 1913 гг.).В начале XIX века в России стали приниматься
меры по охране недр. Однако резкое использование земли в
производственных целях вызвало реальную угрозу исчезновения отдельных
объектов природы и природных комплексов.
Несколько заповедников было создано на частные деньги, в том числе
Аскания-Нова (Херсонская область). Великие ученые России — В.В.
Докучаев, Н.В. Нассонов, Г.А. Кожевников и др. ставили вопрос о создании
заповедников.
В 1911 году был организован Супутинский заповедник на Дальнем
Востоке. Это был первый государственный заповедник России.
Октябрьская революция уничтожила частную собственность на
природные богатства, что создало предпосылки для эффективной
деятельности по охране природы. Первыми декретами о земле (1917 год) и о
социализации земли (1918 год) предписывалось засадить и засеять лесом
оголенные войной пространства. Была также проведена национализация
земли и отменена на нее частная собственность. Был принят ряд
государственных документов, направленных на охрану природной среды и
создание природных памятников.
С 1917 по 1925 годы было опубликовано свыше 230 правительственных
документов природоохранного содержания и совершенствования этого дела.
Были широко развернуты лесомелиораторные работы с 1927 пo no 1938 годы
было заложено 266 тыс. га пескоукрепительных, 468 тыс. га
полезащитнызтных насаждений, созданы десятки заповедников.
В 1924 году было создано Всероссийское общество охрани природы с
широким охватом в его работе различных слоев населения. Во время
Великой Отечественной войны на оккупированных территориях
происходило уничтожение и разграбление природных богатств. Для
восстановления разрушенного потребовалось локализовать все силы и
средства, что вызвало чрезмерную эксплуатацию природных ресурсов,
произошло ослабление общественных позиций в отношении охраны
природы.
Усилению природоохранной работы после войны способствовало
Постановление Совмина РФ Об охране природы Hтерритории РСФСР (1946
год) и создание грандиозного плана полезащитных лесонасаждений
(Сталинский план преобразования природы.
К сожалению, осуществить планы в полной мере не представилось
возможным из-за смерти Сталина и прекращения финансирования.
Большим достижением в природоохранной деятельности было создание в
1957-м —1963 годах на территории СССР специальных законов по охране
природы, согласно которым были взяты под защиту от расхищения и нес
хозяйственного использования все природные ресурсы. В целом, созданная в
стране система охраны природы с различной степенью успешности
функционировала на разных уровнях: локальном и региональном,
государственном и общественном. Именно наша страна была участником
многих всемирных форумов и совещаний, посвященных вопросам охраны
природных компонентов.
Защита природы России - проблема общегосударственная. Но
практические конкретные меры по ее решению ложатся главным образом на
регионы. Ведь они непосредственно страдают от нарушения нормального
состояния среды обитания и, к тому же, обладают необходимой
информацией для отслеживания обстановки и принятия мер.
За "центром" остаются научное обоснование предельно допустимых
уровней загрязнения окружающей среды с учетом особенностей отдельных
климатических зон и освоенности территорий, экологическая оценка и
согласование проектов строительства крупных объектов межрегионального
значения, а также разработка экологически чистых технологий для малых
предприятий.
Поэтому говоря о рациональных принципах природопользования,
нужно прежде всего иметь в виду региональную организацию
экологической службы.
Основными направлениями ее деятельности являются :
- контроль за соблюдением природопользователями (предприятиями,
организациями, физическими лицами) экологических требований в
соответствии с действующими нормативами;
- обязательная экологическая оценка новых объектов строительства и в
случае недостаточной экологической надежности запрет на их
строительство;
- содействие развитию предпринимательства,
оздоровлению окружающей среды.
способствующего
Развивая материальное производство, люди оказывают на природу всё
более широкое и глубокое преобразующее влияние, ускоряют темпы этого
процесса по мере совершенствования орудий труда и техники их
применения.
В настоящее время в процессе своей производственной деятельности
люди нередко наносят ущерб природе. Далеко не всегда это проистекает от
незнания. Часто, к сожалению, приходится считаться с экономической
оценкой целесообразности, сиюминутными преимуществами того или
иного проекта, решения.
Некогда природные ресурсы использовались стихийно. Затем из
накопленного людьми опыта, из первых обобщений родились науки,
обслуживающие отдельные отрасли природопользования: сельское, лесное,
рыбное хозяйства, горнодобывающая промышленность. Постепенно
деятельность человека стала расширяться, и преграды между отдельными
отраслями промышленности рухнули. Стало очевидным, что деятельность
гидроэнергетиков, промышленников затрагивает все отрасли народного
хозяйства.
То что природа едина выяснилось совсем недавно. Значит нужна и
единая наука, ведущая рациональной эксплуатацией ее ресурсов.
С каждым годом человечество всё шире и разностороннее вовлекает
природные ресурсы в сферу своей деятельности, и чем быстрее развиваются
наука и техника, тем разнообразнее, рациональнее и полнее эти природные
ресурсы используются.
Чтобы природопользование не наносило ущерба обществу необходимо
учитывать определённые условия и факторы, обуславливающие
рациональное использование природных ресурсов. Так, необходимым
условием рационального использования ресурсов неживой природы
является создание и внедрение во всех отраслях промышленности новых
технологических приёмов, предотвращающих или снижающих масштабы
загрязнения природной среды отходами производства. Таким образом,
комплекс мероприятий по рациональному природопользованию и охраны
ресурсов неживой природы одновременно обеспечивает поддержание
оптимальной для жизни человека окружающей среды. Например, в
горнорудных районах необходима рекультивация ландшафтов, нарушенных
при добыче полезных ископаемых. В сельском хозяйстве для поддержания
плодородности почв, используются агротехнические и мелиоративные
мероприятия, направленные на сохранение почвенного покрова, на
повышение плодородности почв.
Современный мир не мыслим без заводов и фабрик, производящих
продукцию, необходимую для жизни современного человека. Но при этом
стало почти правилом наплевательское отношение к окружающей среде со
стороны работников этих предприятий, которые пытаются обойти
природоохранные нормы под видом того, что производят продукцию
первой необходимости. Но нельзя забывать, что самой первой
необходимостью для человека должна быть среда, в которой он живет. Но в
современном рыночном мире бороться за окружающую среду лучше всего
экономическими методами, с помощью экономических рычагов. Сейчас в
нашей стране делаются попытки создать действенные механизмы
рационального природопользования, определенные успехи уже достигнуты,
но эту работу нужно продолжать.
Наиболее слабым звеном действующего механизма управления
природопользованием
является
недостаточная
экономическая
заинтересованность предприятий в эффективном использовании природных
ресурсов и охране окружающей среды. Практика функционирования
предприятий показывает, что в настоящее время экономический ущерб от
нерационального использования природных ресурсов непосредственно на
конечных показателях их хозяйственной деятельности сказывается
незначительно.
Одним из элементов экономического механизма рационального
хозяйствования в области природопользования и охране окружающей среды
является планирование природопользования.
Основная цель планирования состоит в обеспечении экономного и
комплексного использования, а также, возможно, в повышении ресурсного
потенциала страны.
В условиях рыночных отношений цели планирования сохраняются.
Новый подход к самостоятельности предприятий, переходящих от
административных методов управления к экономическим перспективам
коренного изменения, роли, функций и методов планирования. В настоящее
время происходит процесс становления и поиска наиболее эффективных
форм и методов планирования рационального природопользования.
С переходом на экономические методы управления качественно
меняются задачи и функции планирования природопользования.
Предприятие возмещает ущерб, причиненный загрязнением окружающей
среды и нерациональным использованием природных ресурсов, и несет
материальную ответственность за соблюдение законодательства об охране
природы.
Рекомендованная литература
1. Воробьев А.Е. и др. Основы природопользования: экологические,
экономические и правовые аспекты. – Ростов н/Д: Феникс, 2006
2. Коробкин В.И., Передельский Л.В. Экология. – Ростов н/Д:
Феникс, 2005 г.
3. Липунов И.Н. и др. Охрана окружающей природной среды. –
Урал. гос. лесотехн. акад. Екатеринбург, 2001 г.
Вопросы для самоконтроля усвоения материала.
1. Что такое рациональное природопользование?
2. Как рациональное природопользование влияет на загрязнение
окружающей среды?
3. Сформулируйте первую парадигму рационального
природопользования.
4. Сформулируйте вторую парадигму рационального
природопользования.
5. Сформулируйте третью парадигму рационального природопользования.
6. Какие существуют виды природных ресурсов.
7. Охарактеризуйте экологическую классификацию природных ресурсов.
8. Что предусматривает принцип системного подхода?
9. В чем состоит принцип опережения темпов заготовки сырья темпами
выхода конечной продукции
10.В чем состоит принцип безотходности?
С4. Глобальный экологический кризис.
Без изучения современного состояния взаимоотношений человека и
природы, как и без изучения их истории, невозможно создание социальноэкологической
теории,
которая
необходима
для
того,
чтобы
природопреобразовательная практика человека была успешной. Изучение
современного состояния (эмпирического базиса социальной экологии) вместе
с изучением истории (исторического базиса социальной экологии) и
экологии как науки о взаимодействии живых организмов с окружающей
средой составляют три краеугольных камня, на которых строятся социальноэкологические концепции.
Научно-техническая
кризис
революция
и
глобальный
экологический
Антропогенный период, т.е. период, в котором возник человек, является
революционным в истории Земли. Человечество проявляет себя как
величайшая геологическая сила по масштабам своей деятельности на нашей
планете. А если вспомнить о непродолжительности времени существования
человека по сравнению с жизнью планеты, то значение его деятельности
предстанет еще яснее.
Технические возможности человека изменять природную среду
стремительно возрастали, достигнув своей высшей точки в эпоху научнотехнической революции. Ныне он способен осуществить такие проекты
преобразования природной среды, о которых еще сравнительно недавно не
смел и мечтать.
Казалось бы, человек становится все менее зависим от природы,
подчиняя ее своему влиянию, преображая в соответствии со своими целями.
Однако все чаще слышатся слова «охрана природы», «экологический кризис»
и т.п. Выяснилось, что рост могущества человека ведет к увеличению
отрицательных для природы и в конечном счете опасных для существования
человека последствий его деятельности, значение которых только сейчас
начинает осознаваться.
Многочисленные научные данные показывают, что экологическая
обстановка на нашей планете не всегда была одной и той же. Более того, она
испытывала резкие перемены, отражавшиеся на всех ее компонентах. Одно
из таких глобальных изменений произошло, по-видимому, на самом
начальном этапе развития жизни на Земле, когда в результате деятельности
живого вещества атмосфера нашей планеты резко изменилась, в ней
появился кислород, и за счет этого была обеспечена возможность
дальнейшего становления и распространения жизни. Живые существа
создали нужную им атмосферу. В процессе своей эволюции живое вещество,
преображаясь, само и одновременно изменяя косную материю,
сформировало биосферу — целостную неразрывную систему живых и
косных компонентов нашей планеты. Процесс становления ее идет через
выявление и разрешение противоречий между отдельными компонентами, и
периоды резкого обострения противоречий могут быть названы
экологическими кризисами.
Становление и развитие человеческого общества сопровождались
локальными и региональными экологическими кризисами антропогенного
происхождения. Можно сказать, что шаги человечества вперед по пути
научно-технического прогресса неотступно, как тень, сопровождали
негативные моменты, резкое обострение которых приводило к
экологическим кризисам. Но ранее имели место локальные и региональные
кризисы, поскольку само воздействие человека на природу носило
преимущественно локальный и региональный характер антропогенного
происхождения.
Можно сказать, что шаги человечества вперед по пути научнотехнического прогресса неотступно, как тень, сопровождали негативные
моменты, резкое обострение которых приводило к экологическим кризисам.
Но ранее имели место локальные и региональные кризисы, поскольку само
воздействие человека на природу носило преимущественно локальный и
региональный характер, и никогда не было столь значительным, как в
современную эпоху. Древние охотники могли, истребив животных на какойлибо территории, перейти на другое место; древние земледельцы могли, если
почва подвергалась эрозии и продуктивность ее снижалась, освоить новые
земли. Правда, такие переселения зачастую сопровождались социальными
потрясениями (которые с каждой новой эпохой становились все более
драматичными), но, тем не менее, теоретически и практически они были
осуществимы.
В настоящее время представляется обоснованной точка зрения, согласно
которой плотность заселения Земли приближается к критической. Население
земного шара растет по экспоненте, о чем предупреждал еще Мальтус. В
начале нашей эры на Земле находилось 250 млн. человек. Понадобилось 1,5
тыс. лет до того, чтобы оно удвоилось. К началу XIX в. население планеты
достигло 1 млрд. а уже в 1987 г. на Земле жило 5 млрд человек, причем на
прибавление последнего миллиарда ушло всего 12 лет. Сейчас население
Земли более 7 млрд.
Нынешние темпы роста таковы, что для обеспечения даже тех условий
существования, каковы на Земле сейчас, каждое вновь появляющееся
поколение обязано построить (и, стало быть, потребить соответствующее
количество ресурсов биосферы) новую техноструктуру, равную той, которая
в настоящий момент существует на Земле. Задачи беспрецедентные.
Насколько они выполнимы? Тревога, которую испытывают в связи с этим,
вполне обоснованна, если, скажем, рациональный предел расширения
земледелия оценить в 2,7 млрд. га. Встречаются весьма оптимистические
заявления о том, что Земля может прокормить до 700 млрд. человек. Но
большинство ученых считает, что оптимальное количество жителей планеты
не должно превышать 12— 20 млрд.
Некоторые же демографы полагают, что на Земле живет уже сейчас
больше оптимального «золотого миллиарда». Проблема небывалого
увеличения давления на биосферу растущего населения планеты становится
все более острой. Особенно сложна и печальна картина на уровне отдельных
регионов и стран, в которых ежегодно умирают с голоду миллионы человек.
Подъем жизненного уровня населения этих районов, для которых зачастую
характерны самые высокие темпы прироста населения, составляет одну из
основных задач человечества, трудность выполнения которой объясняется
хотя бы тем, что даже при сохранении нынешней численности населения
планеты для равного обеспечения всех на уровне высокоразвитых регионов
необходимо стократное увеличение получаемых материальных благ и
многократное
увеличение
производства
продуктов
питания.
В то же время в других районах Земли, характеризующихся высоким
уровнем давления на биосферу, беспокойство вызывает слишком
незначительный прирост численности населения или даже его сокращение. В
нашей стране, несмотря на ее огромные размеры и природные богатства,
население сокращается на 1 млн. в год, а продолжительность жизни мужчин
уменьшилась до 61 года, что в целом свидетельствует о начале процесса
депопуляции. В некоторых же других странах проводятся целенаправленные
работы по планированию семьи с целью снижения темпов роста населения.
К ощущению современным человеком временной ограниченности жизни
прибавилось осознание пространственной ограниченности нашей среды
обитания,
хотя
последствия
человеческой
деятельности
и
в
пространственном, и во временном отношении с каждым годом становятся
все более продолжительными и внушительными. Характерной особенностью
нашего времени являются интенсификация и глобализация воздействия,
человека на окружающую его природную среду, что сопровождается
небывалыми ранее интенсификацией и глобализацией негативных
последствий этого воздействия. И если раньше человечество испытывало
локальные и региональные экологические кризисы, которые могли привести
к гибели какой-либо цивилизации, но не препятствовали дальнейшему
прогрессу человеческого рода в целом, то теперешняя экологическая
ситуация чревата глобальным экологическим коллапсом, поскольку
современный человек разрушает механизмы целостного функционирования
биосферы в планетарном масштабе. Кризисных точек, как в проблемном, так
и в пространственном смысле становится все больше, и они оказываются
тесно связанными между собой, образуя своего рода сеть, становящуюся все
более частой. Именно это обстоятельство и позволяет говорить о наличии
глобального экологического кризиса и угрозе экологической катастрофы.
Рассмотрим более подробно современную экологическую ситуацию на
нашей планете. Процессы жизнедеятельности человека можно представить
следующим образом. Человек берет у природной среды необходимые ему
вещества, энергию и информацию, преобразовывает их в полезные для себя
продукты (материальные и духовные) и возвращает в природу отходы своей
деятельности, образующиеся как при преобразовании исходных веществ, так
и при использовании изготовленных из них продуктов. Материальнопроизводственная часть деятельности человека выражается продуктов.
Материально-производственная
часть
деятельности
человека
выражается в незамкнутой цепи: отходы, Вещество, Энергия, Информация.
Каждый из этих элементов влечет за собой, помимо всего прочего,
негативные последствия, которые можно разделить (конечно же, до
некоторой степени условно) на реальные отрицательные последствия,
ощутимые сейчас (например, загрязнение природной среды, эрозия почвы и
т.д.) и потенциальные опасности (исчерпание ресурсов, техногенные
катастрофы и др.).
Современные экологические катастрофы
То, что современный экологический кризис является обратной
стороной НТР, подтверждает тот факт, что именно те достижения научнотехнического прогресса, которые послужили отправной точкой объявления о
наступлении НТР, привели и к самым мощным экологическим катастрофам
на нашей планете. В 1945 г. была создана атомная бомба, свидетельствующая
о новых невиданных возможностях человека. В 1954 г. была построена
первая в мире атомная электростанция в Обнинске — на «мирный атом»
возлагалось много надежд. А в
1986 г. произошла самая крупная в истории Земли техногенная
катастрофа на Чернобыльской АЭС как следствие попытки «приручить» атом
и заставить его работать на себя.
В результате этой аварии выделилось больше радиоактивных
материалов, чем при бомбардировке Хиросимы и Нагасаки. «Мирный атом»
оказался более страшным, чем военный. Человечество столкнулось с такими
техногенными катастрофами, которые вполне могут претендовать на статус
суперрегиональных, если не глобальных.
Особенность радиоактивного поражения в том, что оно способно убить
безболезненно. Боль, как известно, является эволюционно развитым
защитным механизмом, но «коварство» атома состоит в том, что в данном
случае этот предупредительный механизм не включается.
Чернобыльская авария затронула более 7 млн. человек и коснется еще
многих, в том числе и не родившихся, поскольку радиационное заражение
влияет не только на здоровье живущих ныне, но и тех, кому предстоит
родиться. Средства же на ликвидацию последствий катастрофы могут
превысить экономическую прибыль от работы всех АЭС на территории
бывшего СССР.
Чернобыль разрешил споры о том, можем ли мы говорить об
экологическом кризисе на нашей планете или всего-навсего об
экологических трудностях, переживаемых человечеством, и насколько
уместны слова об экологических катастрофах. Чернобыль был экологической
катастрофой, захватившей несколько стран, последствия которой трудно
полностью предугадать.
Второй крупнейший катастрофой суперрегионального масштаба
является высыхание Аральского моря. Еще несколько десятилетий назад
газеты прославляли строителей Каракумского канала, благодаря которому
вода пришла в бесплодную пустыню, превратив ее в цветущий сад. Но
прошло немного времени и выяснилось, что победные реляции о
«покорении» природы оказались опрометчивыми. Полезный эффект от
орошения был далек от расчетного, почвы на громадной территории
оказались засоленными, вода в многочисленных каналах стала высыхать, и
вслед за этим приблизилась катастрофа, которая в отличие от чернобыльской
не случилась мгновенно в результате аварии, а понемногу подбиралась
годами, с тем чтобы предстать во всем своем ужасающем виде.
В настоящее время площадь Арала уменьшилась наполовину, а ветры
принесли токсичные соли с его дна на плодородные на плодородные земли,
отдаленные на тысячи километров. «В питьевую воду попало такое
количество химических сбросов, что матери в районе Аральского моря не
могут кормить грудью своих детей, не подвергая их риску отравления».
(Фешбах М., Френдли А. Экоцид в СССР. М., 1992. С. 2). Спасти Арал уже
не удастся, и этот отрицательный опыт преобразования лика Земли
подтверждает вывод В.И. Вернадского о том, что человек стал величайшей
геологической силой на нашей планете.
Чтобы не создалось впечатление, что экологические катастрофы
происходят только на территории СССР, упомянем о катастрофе, вызванной
вырубанием тропических лесов в Бразилии, что может повлиять на
изменение климата на планете с последствиями, которые трудно представить
в полном объеме.
Реальные экологически негативные последствия
Проблема загрязнения природной среды становится столь острой как
из-за объемов промышленного и сельскохозяйственного производства, так и
в связи с качественным изменением производства под влиянием научнотехнического прогресса. Первое обстоятельство связано с тем, что лишь 1—
2% используемого природного ресурса остается в конечном произведенном
продукте, а остальное идет в отходы, которые — это второе обстоятельство
— не усваиваются природой.
Многие металлы и сплавы, которыми пользуется человек, неизвестны
природе в чистом виде, и, хотя они в какой-то мере подвластны утилизации и
вторичному употреблению, часть их рассеивается, накапливаясь в биосфере в
виде отходов. Проблема загрязнения природной среды в полномасштабно
встала после того, как в XX в. человек существенно расширил количество
используемых им металлов, стал изготавливать синтетические волокна,
пластмассы и другие вещества, имеющие свойства, которые не только не
известны природе, но даже вредны для организмов биосферы. Эти вещества
(количество и разнообразие, которых постоянно растет) после их
использования не поступают в природный кругооборот. Отходы
производственной деятельности все больше загрязняют литосферу,
гидросферу
и
атмосферу
Земли.
Адаптационные механизмы биосферы не могут справиться с нейтрализацией
увеличивающегося
количества
вредных
для
ее
нормального
функционирования веществ, и естественные системы начинают разрушаться.
Конкретных примеров загрязнения природной среды в литературе
приведено великое множество. Известны основные источники загрязнения:
автомобили, промышленность, теплоэлектростанции. Выявлены и изучены
важнейшие загрязнители: окись углерода, соединения свинца, асбестовая
пыль, углеводороды, ртуть, кадмий, кобальт и другие металлы и соединения.
Обычно говорят о загрязнении почвы, воды, воздуха, растительных и
животных организмов. Совершенно ясно, однако что, в конечном счете, это
отражается на человеке. Темпы роста отрицательных последствий
человеческой деятельности ставят под сомнение не только способность
природы справиться с ними, но и адаптационные возможности самого
человека.
Все соматические и нейропсихические особенности человеческого
организма являются следствием эволюционного развития, результатом
формирующего влияния стабильных природных факторов. Резкое изменение
этих условий в современную эпоху, наличие физических и химических
факторов, с которыми организм никогда в ходе эволюции не
взаимодействовал, может привести к тому, что механизмы биологической и
социальной адаптации окажутся не в состоянии сработать. Технический
прогресс вызвал к жизни массу новых факторов (новые химические
вещества, различные виды радиации и т.д.), перед которыми человек как
представитель биологического вида практически беззащитен. У него нет
эволюционно выработанных механизмов защиты от их воздействия.
(Царегородцев Г.И. Социально-гигиенические проемы научно- технического
прогресса. — Диалектика в науках о природе и человеке. М.,
1983. Т. 4. С. 412).
Получено много данных о роли загрязнения природной среды в
возникновении
различных
заболеваний.
Загрязнение
воздуха
в
промышленных центрах, по заключению экспертов Всемирной организации
здравоохранения, — главная причина распространения хронических
бронхитов, катаров верхних дыхательных путей, пневмонии, эмфиземы и
одна из причин, вызывающих рак легких. Явную причинно-следственную
связь между загрязнением природной среды и заболеваниями проследить
нелегко, потому что причин всегда оказывается много, но тем не менее
косвенно определить влияние загрязнения природной среды возможно,
поскольку, к примеру, жители особо запыленных мест и работающие на
вредных производствах болеют чаще. Ведется статистика экологически
обусловленных
заболеваний.
Есть звонки и более тревожные. Исполнительный директор программы
ООН по окружающей среде (ЮНЕП), созданной после проведения в 1972 г.
конференции ООН по окружающей среде, М. Толба пишет: «Периоды
действия различных канцерогенных загрязнителей окружающей среды на
человека все время удлинялись, и сейчас специалисты полагают, что в 60—
90% случаев можно усмотреть прямую или косвенную связь между раком и
окружающей средой. Канцерогенные факторы содержатся в воздухе, воде,
производственных материалах пищевых продуктах, табачных изделиях»
(когда речь идет о пищевых продуктах имеются в виду прежде всего
различные пищевые добавки) «Известно, что многие химические вещества
являются канцерогенами в этой роли выступают, по- видимому, даже
медикаменты» (Толба М. Человек и окружающая среда: причины и следствия
// Здоровье мира 1978. С. 3).
Нужно отметить различные профессиональные заболевания, связанные
с работой в загрязненной среде, потому что от загрязняющих веществ
страдают в первую очередь те, кто их непосредственно производит.
Иногда трудно проследить , в какой степени следует винить природную
среду, скажем, в росте числа психических, сердечно-сосудистых
заболеваний, сокращении продолжительности жизни и т.д. Нельзя все
переложить на природную среду, однако она вносит свой вклад.
Хотя и кажется, что человек привык, скажем, к напряженному ритму
городской жизни, переуплотненности, но это в конечном счете способствует
стрессовым ситуациям и болезням.
Получены настораживающие данные о влиянии загрязнения природной
среды на генетический аппарат человека. Совсем недавно стали появляться
на свет так называемые «желтые дети» с врожденной желтухой в местах с
высокой степенью загрязненности природной среды. Загрязнение природной
среды привело к появлению новых заболеваний, таких, как болезнь
минамата, вызванная отравлением ртутью, и болезнь итаи-итаи от
отравления кадмием.
Особенно острая ситуация сложилась для жителей крупных городов. В
крупных городах объемы твердых отходов резко возрастают, достигая 1 т. в
год на одного жителя. Сжигание городского мусора, содержащего
значительные количества компонентов, которые не подвергаются
минерализации в почве (стекло, пластмасса, металл), приводит к
дополнительному загрязнению атмосферного воздуха, которое и так, как
правило, превышает по большинству агентов предельно допустимые
концентрации (ПДК).
70 млн. жителей 103 городов бывшего СССР вдыхают воздух,
содержащий токсичных веществ в 5 раз больше ПДК. В 66 городах уровень
загрязненности в 10 раз больше (для 40 млн.).
«Урбанизация нарушает биогеохимические циклы, поскольку город
получает продукты, собранные с огромного по площади пространства,
изымая с полей и пастбищ множество веществ, но не возвращая их обратно,
потому что большая часть этих веществ после использования попадает в
сточные воды и отбросы. А те и другие через канализацию со сточными
водами переходят, минуя поля, в грунтовые воды, в реки и, наконец,
аккумулируются в океане» (Человек и среда его обитания // Вопросы
философии. 1973. № 3. С. 55).
Некоторые последствия урбанизации пока еще трудно оценить. К
таковым относится, например, просадка центральных районов городов,
застроенных высотными зданиями, с компенсирующими поднятиями
поверхности в пригородах.
Одним из путей предупреждения загрязнения природной среды
являются попытки упрятать отходы как можно дальше (как продолжение
стратегии «высоких труб»). Соответствующие предложения (например,
ликвидация отходов путем сбрасывания их в спрессованном виде в
тектонически-активные зоны океанов с тем, чтобы они в дальнейшем
погрузились в мантию, а также другие подобные предложения) не могут не
навести на мысль: а не приведет ли это к еще большим трудностям?
Более половины всех обрабатываемых земель в странах бывшего СССР
находятся в серьезной опасности: они или засолены, или подвержены эрозии,
или переувлажнены и заболочены, или перенасыщены ядохимикатами.
К вызывающим тревогу последствиям научно-технического прогресса
относит изменение фундаментальных физических параметров, в частности
повышение шумового фона и радиационного уровня.
Потенциальные экологические опасности
Среди потенциальных экологических опасностей отметим вначале те,
которые могут актуализироваться в будущем при сохранении существующих
тенденций технико-экономического развития. К ним можно отнести
опасности исчерпания традиционных видов природных ресурсов, теплового
перегрева планеты, разрушения озонового щита, сокращения количества
кислорода в атмосфере и др.
Рассмотрим более подробно проблему исчерпания природных
ресурсов. Все ресурсы природы можно разделить (до некоторой степени
условно) на возобновимые и невозобновимые. Если ресурсы живой природы
естественно возобновимы, то лишь небольшая часть ресурсов неживой
природы может быть отнесена к таковым. Из невозобновимых природных
богатств первостепенное значение имеют полезные ископаемые, т.е.
минеральные вещества, которые на данном этапе развития производительных
сил добывать из Земли технологически возможно и экономически выгодно
для обеспечения потребностей в минеральном сырье.
Темпы роста производительных сил в значительной мере зависят от
степени изученности и интенсивности разработки месторождений полезных
ископаемых.
В эпоху научно-технической революции в условиях невиданно высоких
темпов развития промышленности и сельского хозяйства потребности в
минеральном сырье стремительно возрастают. Потребление полезных
ископаемых заметно опережает рост населения. Предполагается, что и в
дальнейшем потребление минерального сырья будет опережать рост
населения планеты.
Практическая невозобновимость естественным путем большинства
полезных ископаемых ставит перед человечеством сырьевую проблему, ведь
природе требуется много тысяч лет для накопления запасов, к примеру,
каменного угля, сжигаемого человеком за 1 год. Безусловно, в прогнозах
учитываются лишь обнаруженные месторождения или принимается во
внимание возможность небольшого увеличения запасов. Говорить об
исчерпании всех полезных ископаемых, когда исследована только ничтожная
часть радиуса земного шара, по крайней мере преждевременно. Теоретически
все вещество Земли можно рассматривать как потенциальное полезное
ископаемое, поскольку в принципе из обыкновенного гранита можно
получать железо, цветные металлы, золото и т.д. На практике же проблема
природных ресурсов и охраны недр от истощения (в связи с конечностью
имеющихся в наличии запасов и дефицитностью некоторых видов
минерального сырья) может стоять довольно остро, и это вполне справедливо
для современной эпохи.
Некоторые отрицательные моменты интенсификации добычи полезных
ископаемых сказываются и в настоящее время. Это прежде всего разрушение
горными выработками почвенного покрова. Но не только. Добыча твердых
полезных ископаемых в шахтах и откачка нефти и воды по скважинам
приводят к осадке поверхности. В Подмосковном и Донецком бассейнах
поверхность над выработками осела более чем на 2 м. Закачивание воды в
скважины для интенсификации добычи нефти на нефтепромыслах может
вызвать землетрясения с магнитудой, равной 6. (Николаев Н.И.
Землетрясения, связанные с технической деятельностью человека // Бюл.
МОИП. Отд. геол. 1971. Т. 26. № 5. С. 148)..
Можно отметить и такие негативные моменты, как увеличение затрат
на геологоразведочные работы и добычу полезных ископаемых, поскольку
найти полезное ископаемое становится все труднее, и в разработку
приходится вовлекать месторождения с более бедными рудами,
находящимися к тому же в более сложных геологических условиях. Научнотехнический прогресс требует широкого применения цветных и редких
металлов. Но их содержание в руде обычно не превосходит 1—3%. Кроме
того, коэффициент извлечения для этих металлов 50—70%, а для редких
металлов — 4—20%. Остальная порода накапливается в отвалах, увеличивая
и без того огромные пространства так называемого «лунного пейзажа».
Существенного улучшения результатов можно достичь при комплексном
извлечении полезных компонентов из руды. На некоторых предприятиях эти
вопросы решаются, однако так обстоит дело далеко не везде. Потери руды
уменьшаются при открытом способе добычи, а большая концентрация
предприятий горнодобывающей промышленности создает условия для
разработок месторождений с низкой себестоимостью продукции и высокой
производительностью труда.
Экономически открытый способ добычи полезных ископаемых
выгоднее, чем шахтный, но и он влечет за собой отрицательные последствия.
Для того чтобы добыть полезные ископаемые, таким образом, надо с каждым
годом снимать все больше пустой породы, что увеличивает площади,
изымаемые из землепользования, и количество пустой породы в отвалах. Изза запыления местности при открытом способе добычи понижается
урожайность сельскохозяйственных культур в близлежащих районах.
Намного лучше, казалось бы, положение с возобновимыми ресурсами.
Однако именно их возобновимость вызывала самоуспокоенность и вела к
тому, что, истребляя ценные виды животных и растений, человек не думал и
зачастую препятствовал их естественному возобновлению. В общей
сложности с 1600 г. исчезли 226 видов и подвидов позвоночных животных
(причем за последние 60 лет — 76 видов) и около 1000 видов находится под
угрозой гибели (Смит Р.Л. Наш дом планета Земля. М., 1982. С. 188).
Технические средства лова постоянно совершенствуются, в то время
как возможности естественного воспроизведения возобновимых ресурсов
остаются на прежнем уровне или, если растут, не в такой степени. Поэтому
дальнейшая интенсификация отлова животных может привести ко все более
неблагоприятным
экологическим
последствиям.
К воспроизводимым ресурсам относятся также пресные воды. Их запасы на
земном шаре велики, однако потребности в них промышленности, сельского
и жилищно-коммунального хозяйства возрастают с огромной быстротой. На
производство получающих большое" распространение новых металлов
(таких, как титан) и особенно на производство химических изделий
(например, синтетических волокон) идет в несколько или даже несколько
десятков раз больше воды, чем на производство стали. В современных домах
со всеми удобствами расход воды намного больше, чем в домах, не
оборудованных водопроводом.
Интенсивная добыча воды приводит (особенно в больших городах, где
плотная застройка препятствует естественному стоку ил следовательно,
естественному пополнению самых ценных для человека верхних горизонтов
подземных вод) к понижению уровня и постепенному истощению запасов.
Дефицит подземных вод ощущается во многих районах земного шара,
например в Бельгии, Германии, Швейцарии. Такая же ситуация в некоторых
регионах
России и может распространиться на другие. Несколько лет велись
исследования проблемы переброски части стока вод северных и восточных
рек
СССР на юг, но эта проблема не только технически, но особенно
экологически исключительно сложна. Были высказаны предположения, что,
поворот рек может замедлить вращение Земли из-за перемещения огромных
масс воды. Пожалуй, самое позитивное экологическое событие последних 10
лет
—
отказ
от
этого
самоубийственного
шага.
Не поспевает за вырубкой воспроизводство лесов. Чтобы вырубить участок
леса в 1 га, требуется 1 день, а чтобы вырастить такой участок, I нужно 15—
20 лет. Кроме того, интенсивная рубка лесов может привести к оползневым
процессам, наводнениям и другим разрушительным природным явлениям.
Чрезмерная вырубка лесов так же, как и ошибки в ирригационном
строительстве, перевыпас скота и др., и в прошлом была источником
экологических трудностей и даже одной из причин ослабления и гибели
цивилизаций. Этот факт наталкивает на мысль, что за много веков своего
существования человек не стал экологически мудрее и не очень-то способен
учиться на ошибках предков. Подводя итог рассмотрению сырьевой
проблемы, следует сделать вывод, что ценность каждого вида ресурса с
ростом потребности в нем все более возрастает. Поэтому увеличивается и
значение
охраны
природной
среды
от
истощения.
Особо следует сказать о проблеме обеспечения энергетическими ресурсами.
Основную приходную часть топливно-энергетического баланса составляет
энергия, полученная за счет сжигания минерального топлива. Но запасы
нефти и природного газа, по мнению специалистов, могут быть исчерпаны в
ближайшем будущем. Перспективы связывают с развитием атомной
энергетики, которая способна обеспечить человечество огромным
количеством
дешевой
энергии.
Атомная энергетика более благоприятна для предохранения природной
среды от силового и химического загрязнения, однако ее развитие влечет не
поддающийся
учету
риск.
Атомная энергетика таит второй основной тип потенциальных опасностей
тех, которые могут актуализироваться в любой момент в результате
случайных обстоятельств. Имеется в виду опасность интенсивного
радиоактивного заражения природной среды, которое может произойти не
только в результате применения атомного оружия, но также: из-за аварий на
АЭС. Нет технических систем со 100%-ной надежностью, поэтому хотя и
трудно предугадать, где произойдут новые авали, но в том, что они будут,
сомневаться
не
приходится.
Проблема захоронения радиоактивных отходов также до сих пор не решена.
Впереди и еще одна опасность. При существующих темпах роста энергии,
вырабатываемой на Земле, следует ожидать, что ее количество станет
соизмеримо в скором времени с количеством энергии, получаемой от
Солнца.
Ученые указывают на опасность теплового перегрева планеты и превышение
энергетических барьеров биосферы. Опасность теплового перегрева планеты
усиливается и в связи с повышением содержания углекислого газа в
атмосфере, что ведет к так называемому «парниковому эффекту». Сжигание
топлива вносит ежегодно в атмосферу не менее 1000 т углекислого газа.
Расчеты показывают, что повышение содержания углекислого газа может
вызвать глобальное повышение температуры на Земле со всеми
вытекающими отсюда последствиями — таянием льдов и т.п. Ряд ученых,
напротив, высказывает предположение о грядущем похолодании на нашей
планете под влиянием антропогенной деятельности, связанной с запылением
атмосферы и т.д. В любом случае резкие измерения климата (события
последних лет говорят о том, что подобные процессы уже имеют место)
могут вызвать катастрофические результаты. Здесь уместно напомнить о
наличии «триггерного эффекта» в природе, когда незначительное
воздействие может повлечь громадные перемены. Нельзя забывать, что
экологические процессы экспоненциальны и изменения в природе
происходят не только эволюционно. Существуют пороги (энергетические и
др.), превышение которых грозит резкими качественными преобразованиями.
Потенциально опасными являются и те процессы, которые сейчас приводят к
реальным экологически негативным последствиям. Загрязнение природной
среды не только приносит не поддающиеся полному учету потери, но создает
риск еще больших неприятностей, особенно если учесть эффект накопления.
Так, например, ДДТ, радиоактивные вещества даже спустя немалый срок
после попадания в природную среду не утрачивают вредоносных свойств, а,
наоборот, накапливаются живых тканях. Риск истощения почвы и
вывешивания ее плодородного слоя также растет по мере увеличения
глубины вспашки и интенсификации воздействия на землю.
Потенциальные опасности важнее тех, которые уже в полной мере стоят
перед человечеством. Реальные отрицательные последствия можно
уменьшить, и мы становимся свидетелями успехов некоторых страна борьбе
с загрязнением природной среды. Потенциальные опасное коварнее, потому
что подстерегают неожиданно и не только не уменьшаются, но имеют
тенденцию возрастать по мере роста масштабность человеческой
деятельности. Вообще говоря, польза от природопреобразовательного
проекта достигается довольно быстро, поскольку с этой целью он
осуществлен, тогда как для полного проявления отрицательных последствий,
как правило, необходимо время. Чем масштабнее сложнее проект, тем
больше проходит времени до проявления побочных эффектов, тем
значительнее они и тем большими неприятностями грозят неполадки в
процессе осуществления данного проекта и функционирования созданного
объекта. Итак, наряду с традиционными проблемами, которые можно
отнести к разряду экологических, — нехваткой продовольствия в
слаборазвитых странах, предотвращением стихийных бедствий и т.д. —
человечество столкнулось с новыми экологическими трудностями. Оно не
избавилось от старых бед, а пришли новые, не менее опасные.
Комплексный характер экологической проблемы
Отдельные регионы планеты, находящиеся на разных ступенях
экономического развития, испытывают различные трудности: для
развивающихся стран — это традиционная проблема нехватки пищевых
продуктов, для развитых — перспектива исчерпания природных ресурсов и
загрязнения природной среды.
Кажется, что перед различны ми районами Земли стоят противоположные
задачи. Так, в странах Юго-Восточной Азии одна из важнейших — проблема
снижения рождаемости, в то время как во многих африканских и некоторых
западных странах рост населения считается необходимым для развития
промышленности и сельского хозяйства. На самом деле, все эти, казалось бы,
разрозненные проблемы внутренне связаны между собой, и именно
последнее обстоятельство сообщает качественное своеобразие современной
экологической ситуации.
Специфика угрозы глобального экологического коллапса заключается не
только в недостатке продуктов питания — эта проблема стояла всегда, и не
только в исчерпании природных ресурсов — об этом писали еще в XIX в. К
этим двум прибавились новые, и главная— загрязнение природной среды,
вставшая как глобальная проблема в XX в. Это создало качественно новое
состояние взаимоотношений общества с природной средой, самыми
существенными свойствами которого являются переплетение и взаимное
усиливающее действие друг на друга экологических трудностей. Так, резкое
уменьшение водных ресурсов является следствием интенсивного извлечения
их сверх естественного прироста и загрязнения вод. Другой пример.
Сжигание огромного количества топлива, вырубание лесов, загрязнение
нефтепродуктами и пестицидами океана (ведущее к гибели в нем
растительности — основного поставщика кислорода в атмосферу) — все это
вместе взятое сокращает количество кислорода в атмосфере.
Отмечен вызывающий беспокойство эффект синергизма при введении в
среду двух и более веществ. «ДДТ мало растворим в морской воде, и,
следовательно, его концентрации не слишком опасны для морских
организмов. Но ДДТ очень хорошо растворяется в нефти. Поэтому нефть как
бы концентрирует ДДТ в поверхностном слое океана, где проводят часть
своего жизненного цикла многие морские организмы. А в результате общее
действие нефти и ДДТ превосходит влияние каждого из них в отдельности»
(Холдрен Дж. П., Эрлих П.Р. Человек и экологические аномалии // Курьер
ЮНЕСКО. 1974, авг. — сент. С. 25).
Понятие синергизма сокоренно с синергетикой — наукой об
организации и эволюции неживых структур. Синергизм ведет к точке
бифуркации, за которой или распад системы, или ее переход в новое
качество. С синергетикой экологию связывают триггерный эффект и
автокаталитические
петли
положительной
обратной
связи.
Переплетение экологически негативных последствий препятствует попыткам
решить
какую-либо
частную
экологическую
проблему.
При
соответствующих усилиях она может быть решена, но это ведет к
возникновению и обострению других проблем. Происходит не окончательное
решение, а как бы «сдвиг проблем».
Рассмотрим проблему увеличения производства пищевой продукции.
Стремление получить больше сельскохозяйственной продукции стимулирует
создание искусственных монокультурных систем взамен естественных. Но
монокультуры более уязвимы для сорняков, насекомых-вредителей, болезней
и особенно чувствительны к климату.
Избирательное уничтожение или существенное уменьшение
количества возобновимых природных ресурсов нарушает тонкие и
запутанные связи в экосистемах, что приводит к их обеднению и деградации
нарушению экологического равновесия. Созданные же человеком
искусственные биогеоценозы не так стабильны, как естественные. Для
повышения их устойчивости к «вредителям» сельского хозяйства приходится
использовать химические средства защиты растений. Однако; «широкое
использование пестицидов и других ядохимикатов в сельском хозяйстве в
ряде случаев приводит к серьезным экологическим последствиям: гибели
насекомых (в особенности пчел) и птиц, угрозе для фауны рек, озер и
морских водоемов. Возрастающее содержание ядохимикатов в кормах для
скота, а также в продуктах питания ведет к накоплению их в организме
человека» (Кроткое Ф.Г. Загрязнение окружающей среды и проблемы
гигиены // Природа. 1975. № 4. С.64).
В последнее десятилетие решение пищевой проблемы связывалось с
так называемой «зеленой революцией» — выведением новых
высокоурожайных сортов растений. Однако «зеленая революция» требует
огромного количества минеральных удобрений, применение которых также
вызывает отрицательные экологические эффекты. Кроме того, новые
селекционные сорта более восприимчивы к вирусным заболеваниям и дают
продукцию хоть и повышенной калорийности, но не обладающую столь же
высоким содержанием белка и других компонентов, необходимых
человеческому организму. Любое повышение человеком продуктивности
экосистем приводит к увеличению затрат на поддержание их в стабильном
состоянии вплоть до какого-то предела, когда дальнейшее повышение
продуктивности становится невыгодным из-за чрезмерного роста затрат.
Американский эколог Л. Браун считает, что в принципе можно получить
столько продовольствия, сколько требуется, но это вызовет такое давление на
биосферу, которое та не сможет выдержать. Необходимо стремиться к
достижению не максимального, а некоторого компромиссного варианта,
который является оптимальным.
Данный пример не только демонстрирует комплексный характер
экологической проблемы, но и помогает раскрыть противоречие между
современной стратегией воздействия человека на среду его обитания и
экологическими закономерностями. Для получения необходимого количества
продовольствия человек стремится максимально повысить продуктивность
экосистем, однако это желание противоречит направлению их развития.
«Если цивилизации свойственно максимально увеличивать продуктивность,
то природе свойственно стремиться к максимальной стабильности, и цели
эти несовместимы. Как показывают экологические исследования, наиболее
сложные и, следовательно, наиболее стабильные экосистемы обеспечивают
наименьшую продуктивность. Ее можно повысить, только снижая
стабильность экосистем» .
Таким образом, решение частной экологической задачи оказывается
половинчатым или проводит к сдвигу проблем. Можно получить
неограниченное количество продовольствия и промтоваров, но встанет
проблема загрязнения; можно, развивая атомную энергетику, получить
бесконечно большое количество энергии, но возникает проблема роста
энтропии, теплового перегрева планеты, превышения энергетических
барьеров биосферы.
Вообще говоря, достижение идеального состояния абсолютной
гармонии с природой в принципе невозможно. Столь же невозможна и
окончательная победа над природой, хотя в процессе борьбы человек
обнаруживает способность преодолевать возникающие трудности.
Мифический Антей не мог оторваться от земли. Современный «Антей»
взмывает в небо. Значит ли это, что человек одержал победу над природой в
том смысле, как мы говорим о победе в футбольном матче, когда он закончен
и соперники расходятся по домам? Нет, взаимодействие человека с природой
(его «игра», если можно так выразиться о вещах очень серьезных) никогда не
кончается, и когда кажется, что человек вот-вот получит решающий перевес,
природа увеличивает сопротивление.
Впрочем, оно не бесконечно, и его «преодоление» в форме подавления
природы чревато гибелью самого человека.
Современные «Антеи» взмывают в небо, но все же они неразрывно
связаны с землей и зависимы от природной среды. Более того, нынешний
успех человека в борьбе с природной средой достигнут за счет увеличения
риска, который следует рассматривать двояко: риск возможных побочных
экологических явлений, связанный с тем, что наука не может дать
абсолютный прогноз последствий воздействия человека на природную среду,
и риск случайных катастроф, связанный с тем, что технические системы и
сам человек не обладают абсолютной надежностью. Здесь оказывается
справедливым одно из положений Комм онера, называемых им «законами»
экологии: «Ничто не дается даром».
На основании анализа экологической ситуации можно сделать вывод,
что следует говорить скорее не об окончательном решении экологической
проблемы, а о перспективах сдвига частных проблем с целью оптимизации
взаимоотношений человека с природной средой в существующих
исторических условиях. Данное обстоятельство обусловливается тем, что на
осуществление
целей
человечества
накладывают
ограничения
фундаментальные законы природы.
Принципиально
важным
конкретно-научным
положением,
накладывающим ограничения на человеческую деятельность, является
сформулированный в кибернетике «закон необходимого разнообразия». В
соответствии с ним эффективное управление возможно только в том случае,
когда внутреннее разнообразие управляющей системы не уступает
внутреннему разнообразию управляемой системы. Человечество ставит
перед собой задачу управления природой, и для этого оно должно или
уменьшать разнообразие во внешней природе, или увеличивать свое
внутреннее
разнообразие
(путем
развития
науки,
культуры,
совершенствования умственных и психосоматических характеристик
человека).
Первый путь представляется более легким, и человечество часто
предпочитает именно его. Но легкость его обманчива, и он может привести к
коллапсу, поскольку уменьшение разнообразия в природе уменьшает
стабильность экосистем. Если культура начинает упрощать | природу, то
природа отвечает тем же. Частным примером является разрушение
культурных памятников под влиянием ухудшения экологической
обстановки, загрязнения атмосферы и т.д.
Оба отмеченных выше пути как будто бы полезны для целей
управления, однако лишь второй путь — развития человеческой культуры —
представляется надежным способом разрешения противоречий между
человеком и природой. К сожалению, современная наука и практическая
природопреобразовательная деятельность вместо того, чтобы выполнять
негэнтропийную роль по отношению к природной среде, зачастую
способствуют
уменьшению
разнообразия
в
природе.
Термодинамические и кибернетические закономерности являются
фундаментальными. Их учет имеет огромное значение для выработки
природопреобразовательной стратегии человечества. Пытаясь обойти эти
ограничения наиболее «легким» путем, человек нарушает фундаментальные
принципы функционирования экологических систем, подрывая тем самым
естественные основы своего существования.
По мнению Ю. Одума, одно из наиболее важных свойств экосистем —
«отставание
гетеротрофной
утилизации
продуктов
автотрофного
метаболизма»
(Одум
Ю.
Основы экологии. М., 1975. С. 41). Человек «начинает ускорять процессы
разложения в биосфере, сжигая органическое вещество, запасенное в виде
ископаемых горючих веществ (угля, нефти, газа), и интенсифицируя
сельскохозяйственную деятельность, которая повышает скорость разложения
гумуса» (Там же. С. 47). Редуцирующая деятельность Человека начинает
превосходить продуцирующую деятельность биосферы — в этом еще одна из
причин угрозы экологической катастрофы.
Современная экологическая ситуация показывает, что влияние природы на
человека зависит от объективных закономерностей ее развития, и это
заставляет обращать пристальное внимание на изучение механизмов ее
целостного функционирования. Так как в природе «все связано со всем»,
невозможно воздействие на часть системы без последствия для всей системы
(для биосферы, как и для отдельного организма). Отсутствие или
повреждение нескольких связей система может компенсировать, но если их
будет нарушено много или будут затронуты наиболее существенные из них,
система прекращает существование. Чем она сложнее, тем больше у нее
скомпенсированных связей, что и позволяет ее долго, безнаказанно
разрушать. Но потом, когда пройден порог адаптации, наступают
необратимые изменения, что и происходит с биосферой в наше время.
Насколько ответственны за это наука, призванная познавать законы природы,
и техника, преобразующая природную среду?
Рекомендованная литература
1. Воробьев А.Е. и др. Основы природопользования: экологические,
экономические и правовые аспекты. – Ростов н/Д: Феникс, 2006
2. Коробкин В.И., Передельский Л.В. Экология. – Ростов н/Д: Феникс,
2005 г.
3. Липунов И.Н. и др. Охрана окружающей природной среды. – Урал.
гос. лесотехн. акад. Екатеринбург, 2001 г.
Вопросы для самоконтроля усвоения материала.
1. В чем сущность глобального экологического кризиса.?
2. В чем сущность демографического взрыва?
3. В чем сущность проблемы исчерпания природных ресурсов?
4. в чем состоит проблема загрязнения окружающей среды?
Раздел Л5. Основные компоненты и источники техногенного
загрязнения атмосферы.
Воздух, содержащийся в приземном слое Земной атмосферы, является
важнейшим компонентом среды обитания всех наземных видов живых
существ, обитающих на нашей планете. Он участвует в происходящем в их
организмах обмене веществ и поддерживает дыхание аэробов, обеспечивает
относительно стабильные климатические условия и принимает участие в
формировании и разрушении почв, а также многих других процессах, без
которых жизнь на материках Земли была бы невозможна.
Сведения о содержании в современной атмосфере некоторых, наиболее
распространенных в ней газов приведены в таблице 1.
Таблица 1 Основные ингредиенты, содержащиеся в атмосферном
воздухе
Газ
Объемная
концентрация
%
Газ
Азот
78,084
Кислород 20,946
Аргон
0.932
Диоксид
углерода
0,0387
Неон
1,818×10−3
Метан
1,7×10−4
Криптон 1,14×10−4
Закись
азота
5×10−5
Ксенон
Водяной 0.5-4
пар
Гелий
4,6×10−4
Водород 5×10−5
Объемная
Газ
концентрация
%
Объемная
концентрация
%
8,7×10−6
Как видим из таблицы 1, основными газообразными компонентами
современной земной атмосферы являются азот и кислород, образовавшиеся в
процессе жизнедеятельности фото- и хемосинтезирующих организмов,
аргон- продукт радиоактивного распада К40, а также входившие в состав
первичной атмосферы водяной пар и диоксид углерода. Объемные
концентрации прочих газов в ней существенно меньше, тем не менее, и они
играют важную роль в развитии биосферы, участвуя в формировании
парникового эффекта, реакциях, приводящих к образованию кислот и многих
других соединений, а также защищая ее от опасных составляющих
ультрафиолетовой радиации.
Существенно меньше содержание в атмосфере различного рода
аэрозолей, которые, благодаря своему весьма разнообразному составу и
свойствам, также значимо влияют развитие всех видов наземных организмов
и формирование климата и ландшафтов многих регионов нашей планеты.
Содержание в атмосфере региона любого ее компонента определяется
динамикой его баланса, приходную часть которого формируют потоки,
поступающие из различных природных и антропогенных источников, в том
числе с поверхности гидросферы, литосферы и из соседних регионов.
Расходную часть его баланса образуют встречные потоки, обусловленные
его химическим и биологическим потреблением, превращением в другие
вещества, а также осаждением на земную поверхность и выносом за пределы
региона. На состав воздуха в приземном слое атмосферы над отдельными ее
участками значимо влияют также различные процессы переноса веществ в
атмосфере (как по горизонтали, так и по вертикали).
Вследствие существенной пространственно-временной изменчивости
факторов, влияющих на состав воздуха у земной поверхности, концентрации
любых его компонентов всюду в той или иной степени зависят от времени.
Эта степень для каждого вещества определяется соотношением между
амплитудами изменений различных составляющих его баланса и его
средним содержанием в воздухе. Она тем меньше, чем меньше данное
соотношение. Именно поэтому в наименьшей мере изменяются
концентрации веществ, содержащихся в атмосфере в наибольших
количествах - азота, кислорода, аргона и диоксида углерода, вследствие чего
их принято относить к компонентам ее постоянного состава.
Наиболее
ощутима
пространственно-временная
изменчивость
компонентов атмосферы, содержания которых в ней невелики. Тем не менее,
в процессе эволюции все существующие на планете наземные виды живой
материи приспособились к ее особенностям. Каждый из них выработал
способность успешно развиваться, если изменения концентраций в воздухе
компонентов его состава не выходят за пределы соответствующих
диапазонов толерантности .
Если концентрации в воздухе некоторого вещества выходят за
пределы диапазона толерантности, соответствующего какого либо виду
организмов, на развитие этого вида начинает оказываться ингибирующее
действие. При этом какие либо ограничения в развитии прочих видов
отсутствуют. Более того, подобная ситуация создает для них ощутимые
преимущества в межвидовой конкуренции, стимулирует развитие и
приводит к расширению их ареалов. Если ингибируемый вид в
соответствующей экосистеме не является доминирующим, значимого
экологического ущерба при этом чаще всего не возникает.
Тяжкие экологические последствия могут иметь место лишь в случаях,
когда изменение концентраций в воздухе каких либо его компонентов
выходит за пределы толерантности доминирующих видов. При этом в
сообществе возникают процессы адаптации большинства образующих его
популяций к новым особенностям окружающей среды, что может порождать
заметные изменения его структуры и характеристик. В том числе в нем
может произойти «революция» - смена доминирующего вида. Значительные
изменения могут произойти в особенностях взаимодействия биотических
компонентов такой экосистемы ее абиотическими компонентами. Благодаря
существованию положительных обратных связей, это может привести к
дальнейшему увеличению экологического ущерба.
Происходящие в современном Мире природные процессы и
человеческая деятельность все чаще приводят к изменениям состава
воздушной среды, выходящим за пределы диапазонов толерантности многих
существующих в нем видов. Это не только ингибирует их развитие и
вызывает смещения границ их ареалов, но приводит к их вымиранию (что
уменьшает биоразнообразие и снижает устойчивость биосферы к
воздействию различного рода внешних факторов). Вследствие подобных
явлений возникают опасные перемены климата большинства регионов
планеты, ухудшаются состояния здоровья их населения и таких важнейших
компонентов их ландшафтов, как водные объекты, а также почвы.
Учитывая опасность упомянутых процессов, необходимость снижения
их темпов, а в перспективе и остановки, является бесспорной. Вследствие
этого исследования, направленные на совершенствование методов оценки
экологического ущерба, возникающего в результате различных изменений
состава воздуха в приземном слое атмосферы, а также разработку
технологий, способствующих
его снижению, ныне относятся к
приоритетным направлениям развития Прикладной Экологии. По той же
причине опасные изменения концентраций в приземном воздухе таких
компонентов, как химически инертные частицы аэрозоля, принято называть
механическим загрязнением воздуха. Аналогичные явления, обусловленные
изменениями концентрации газообразных веществ и химически активных
частиц аэрозолей, обозначают термином химическое загрязнение воздуха.
Наряду с механическим и химическим, принято рассматривать и такие
классы загрязнения воздуха, как физическое, а также биологическое.
Физическим (параметрическим) загрязнением воздушной среды
называется изменение
ее физических характеристик (температуры,
атмосферного давления, скорости и направления ветра и др.). Физическое
загрязнение возникает вследствие изменения параметров воздействующих на
воздух нее потоков излучения – электромагнитного (всех диапазонов),
акустического и др., а также различных веществ (парниковых газов,
радионуклидов и др.).
Различают следующие
загрязнения воздуха:
виды
физического
(параметрического)
- тепловое, проявляющееся в изменениях распределения температур
приземного слоя атмосферы вследствие соответствующей динамики
приходной или расходной составляющих его теплового баланса;
световое - изменение естественной освещенности местности;
акустическое (шумовое) - изменение распределений характеристик
присутствующих в приземном слое атмосферы акустических полей;
электромагнитное
- изменение распределений характеристик
электромагнитных полей в диапазоне радиоволн (от сверхдлинных до
сверхвысокочастотных);
радиоактивное – изменения радиационного фона.
Причинами теплового загрязнения воздушной среды могут являться
изменения:
- радиационного баланса постилающей поверхности;
- характеристик парникового эффекта;
- параметров выбросов в атмосферу нагретых газов;
К причинам светового загрязнения воздушной среды относятся
изменения:
- значений ее коэффициента прозрачности ;
- характеристик поступающих в нее из различных источников световых
потоков;
- свойств подстилающей поверхности, влияющих на величину ее
альбедо ;
Акустическое загрязнение приземного слоя атмосферы может быть
вызвано изменениями:
- поля скорости звука в этом слое, а также расположенных над ним
слоях атмосферы (влияющего на явления рефракции акустических волн) ;
- характеристик источников поступающих в него акустических
колебаний ;
- свойств подстилающей поверхности, влияющих на величины
коэффициентов поглощения и рассеяния ею акустических волн ;
Электромагнитное загрязнение приземного слоя атмосферы может
быть вызвано:
- магнитными бурями ;
- работой радиолокационных и радиопередающих станций, линий
электропередач, электротранспорта, трансформаторных подстанций и других
мощных электроустановок ;
Радиоактивное загрязнение воздуха у земной поверхности может быть
обусловлено изменениями активности содержащихся в нем и на
соответствующей территории
радионуклидов, а также характеристик
влияющих на него источников ионизирующих излучений .
Биологическое загрязнение приземного слоя атмосферы это изменение
содержания в нем различных живых существ (микроорганизмов, насекомых,
птиц) . Примером подобного явления может служить появление в воздухе
над некоторой территорией мигрирующих скоплений бесконтрольно
расплодившейся саранчи.
Несмотря на несомненную актуальность проблемы защиты атмосферы
от физических и биологических загрязнений, наибольший интерес
представляют вопросы ее защиты от механических и химических
загрязнений.
Оксид углерода (II).
Одним из основных компонентов химического загрязнения воздушной
среды является оксид углерода (II) (он же моноксид углерода, угарный газ) –
СО .
Данное вещество в нормальных условиях представляет собой газ,
который не имеет цвета, вкуса и запаха, а также легче воздуха. Молекула CO
характеризуется сильной связью между входящими в ее состав атомами. Ее
строение можно описать формулой :
C≡O:,
причём третья связь образована по донорно-акцепторному механизму,
где углерод является акцептором электронной пары, а кислород — донором.
Данная молекула слабо поляризована, электрический момент её диполя μ =
0,04×10−29Кл·м (направление дипольного момента O− → C+).
Ионизационный потенциал 14,0 в, силовая константа связи k = 18,6..
При концентрациях в воздухе от 12,5 до 74 % угарный газ
взрывоопасен.
Оксид углерода СО образуется, в основном, при процессах горения,
имеющих природное или антропогенное происхождение:
- при горении углерода или соединений на его основе (например,
бензина) в условиях недостатка кислорода:
2C + O2 → 2CO↑
(тепловой эффект этой реакции 220 кДж);
- при восстановлении диоксида углерода раскалённым углём:
CO2 + C ↔ 2CO↑
(ΔH=172 кДж, ΔS=176 Дж/К).
Некоторое количество СО образуется в почвах, как биологическим
путём, так и небиологическим. Днем выброс в атмосферу СО из почв и его
содержание в приземном слое атмосферы увеличивается, а ночью его
содержание в нем уменьшается, поскольку в это время преобладает реакция:
CO  O3  CO2  O2
Основную роль в биологическом образовании СО в почвах играют
микроорганизмы, которые участвуют также в процессах его окисления.
В избыточно увлажненных почвах, с пониженными значениями pH,
преобладает биологическое потребление СО, а в недостаточно увлажненных
почвах, с повышенными значениями pH - его биологическое образование.
Поэтому угарный газ из почв выделяется преимущественно в степных и
полупустынных регионах, создавая над ними локальные максимумы своей
концентрации. Способствует увеличению данной составляющей потока СО в
атмосферу с территорий степной зоны Украины развитие на них водноэрозионных процессов, приводящих к опустыниванию. Участвуют в
биологическом образовании СО также растения в период вегетации .
СО является также компонентом вулканических газов. Так, в составе
газов, выделяющихся при извержении вулкана Килауэа (Гавайи) СО2
составляет от 30 до 74%, а СО- от 3.5 до 5.6%. Поскольку угарный газ не
растворим в воде, некоторое его количество поступает в атмосферу и с
поверхности Мирового океана, при извержениях подводных вулканов. В
составе газов, извергаемых грязевыми вулканами
СО практически
отсутствует.
Некоторое количество СО образуется непосредственно в атмосфере
городов, где это вещество является продуктом цепочек реакций с участием
метана и других углеводородов (в первую очередь, изопрена). Монооксид
углерода здесь находится в быстром круговороте: среднее время его
пребывания составляет около 0,1 года .
Особенности антропогенных источников загрязнения атмосферы СО
рассмотрены в главах 5 и 6 данного учебного пособия. Среди этих
источников наиболее существенными являются:
- двигатели внутреннего сгорания автомобилей;
- металлургические предприятия;
- тепловые электростанции и котельные;
- индивидуальные отопительные системы.
Суммарные потоки CO, поступающие в атмосферу от природных и
антропогенных источников, ныне приблизительно одинаковы.
Наибольшую опасность для человека представляют такие источники
СО, как пожары, неисправные и неправильно эксплуатируемые бытовые
отопительные системы, а также автомобили с двигателями, работающими в
замкнутых помещениях.
Основной процесс в атмосфере, приводящий к удалению из воздуха
CO — окисление его гидроксилом ОН до диоксида углерода :
CO + 2 ОН = CO2+ Н2О.
Основными типами химических реакций, в которых участвует
монооксид углерода, являются реакции присоединения и окислительновосстановительные реакции, в которых он проявляет восстановительные
свойства.
СО активно реагирует с атомарным хлором и радикалами ОН.
Вследствие этого при увеличении его содержания в стратосфере,
уменьшается реакционные потоки данных веществ, участвующих в
каталитических циклах разрушения озона. Как результат, возрастает и ОСО.
Всего на нашей планете в год образуется примерно 1,4 *109 т угарного
газа. 0.8 *109 т – в Северном полушарии и 0.6*109 т – в Южном полушарии.
Поэтому в земной атмосфере СО сосредоточено в основном в северном
полушарии. Наиболее изменчиво его среднее содержание в воздухе над
Южным полушарием. Максимальные значения его концентрации в
приземном слое атмосферы отмечаются в зоне между 30-40-ми параллелями
Северного полушария, а минимальные значения в зоне между 50 и 60
параллелями Южного полушария. Причинами этого являются особенности
общей циркуляции тропосферы (преобладание в зоне между 30 и 40параллелями нисходящих, а в зоне между 50 и 60 - ми параллелями –
восходящих движений воздуха), а также распределения по земной
поверхности его источников (наибольший поток СО поступает в атмосферу
из зоны Северного полушария, заключенной между 40-50 параллелями).
Концентрация СО с увеличением высоты уменьшается, достигая
минимума на высоте 40 км. Причиной этого является потребление СО в ходе
его реакций с ОН и атомарным хлором в озоновом слое. На высотах более 50
км концентрация угарного газа в воздухе возрастает, поскольку на них все
ощутимее становится фотолиз СО2 .
Несмотря на то, что угарный газ не является парниковым, увеличение
его содержания в тропосфере способствует усилению парникового эффекта.
Происходит это потому, что СО реагирует с атомарным кислородом, что
приводит к его превращению в СО2 и уменьшает интенсивность окисления в
воздухе метана (СН4) .
При комнатных температурах CO малоактивен. Его химическая
активность значительно повышается при нагревании и в растворах (так, в
растворах он восстанавливает соли золота (Au), платины (Pt), и другие, до
металлов даже
при комнатной температуре). При нагревании CO
восстанавливает и другие металлы, например CO + CuO → Cu + CO2↑. Это
широко используется в пирометаллургии .
По своим восстановительным свойствам СО похож на молекулярный
водород. При температурах ниже 830 °C более сильным восстановителем
является CO, — при более высоких — водород. Поэтому равновесие реакции:
H2O + CO ↔ CO2 + H2 + 42 кДж,
до 830 °C смещено вправо, выше 830 °C влево .
Существуют бактерии, способные за счёт окисления СО, получать
необходимую им для жизни энергию [71].
Температура воспламенения угарного газа в воздухе +700 °C:
CO + 1/2O2 → CO2 ;
В результате выделения тепла температура горения CO может
повышаться и достигать 2100 °C. При достаточно высоких концентрациях
угарного газа в воздухе, реакция его горения является цепной, причём
инициаторами служат небольшие количества водородсодержащих
соединений (вода, аммиак, сероводород и др.). Благодаря своей теплотворной
способности, моноксид углерода применяется в технике как компонент
топливных газовых смесей.
Оксид углерода (II) применяется, не только в металлургии, но и в
пищевой промышленности - для обработки мяса животных и рыбы. Это
придает мясу ярко красный цвет и вид свежести, не изменяя вкуса.
Допустимая концентрация CO в мясе равна 200 мг/кг мяса .
Угарный газ - вещество, относящееся к IV классу опасности. Для него
установлены значения ПДК максимально разового (ПДКм.р.= 5 мг/м3),
среднесуточного (ПДКс.с. = 3 мг/м3), а также в воздухе рабочей зоны (ПДКр.з.
= 2 мг/м3) [2].
Отравляющее воздействие моноксида углерода зависит от его
количества и продолжительности вдыхания.
Концентрация СО в воздухе <0,005% - опасности для здоровья не
представляет.
При концентрации СО в воздухе от 0,005% до 0,010% - через несколько
часов у человека возникают несильные головные боли.
Концентрация СО в воздухе от 0,010% до 0,050% -вызывает через
несколько часов появление у человека
сильных головных болей,
головокружения, и потерю сознания.
При содержании 0,08 % СО во вдыхаемом воздухе человек
практически сразу чувствует головную боль и удушье.
Дыхание воздухом, в котором концентрация СО 0,1-0,2% - приводит к
смерти человека через 60 - 30 минут.
Концентрация СО в воздухе 0,3-0,5% вызывает уже через несколько
минут смерть вследствие паралича дыхания и сердечной недостаточности.
При концентрации СО выше 1,2 % сознание теряется после 2-3 вдохов,
человек умирает менее чем через 1-3 минуты .
Токсическое действие монооксида углерода основано на том, что он,
поступая через легкие в кровь, связывается с ее гемоглобином прочнее и в
200—300 раз быстрее, чем кислород (при этом образуется
карбоксигемоглобин). Таким образом, угарным газом блокируются
процессы транспортировки кислорода и клеточного дыхания .
Люди особенно подвержены отравлению СО в закрытых помещениях.
Пассивное вдыхание сигаретного дыма способствует отравлению некурящих;
это особенно опасно для детей и беременных женщин.
Отравление людей СО возможно :
при пожарах;
в замкнутых производственных помещениях, где угарный газ
используется для синтеза ряда органических веществ (ацетон, метиловый
спирт, фенол и т. д.);
- в гаражах при плохой вентиляции, в других непроветриваемых или
слабо проветриваемых помещениях, туннелях, так как в выхлопе автомобиля
содержится до 1-3 % СО по нормативам и свыше 10 % при плохой
регулировке карбюраторного мотора;
- при длительном нахождении на оживленной автостраде или рядом с
ней;
- в домашних условиях при утечке светильного газа и при
несвоевременно закрытых печных заслонках в помещениях с печным
отоплением (дома, бани);
- при использовании некачественного воздуха в дыхательных
аппаратах.
Выраженность и характер симптомов отравления СО отличаются в
зависимости от индивидуальных особенностей организма, а также от степени
физической активности человека, интенсивности обменных процессов и
общего состояния здоровья перед отравлением. Дифференциация
клинических симптомов настолько велика, что практически отсутствуют
органические изменения, которые бы нельзя было связать с отравлением
угарным газом. Моментальная смерть при отравлении наступает, как
правило, по причине нарушения функций сердечной деятельности.
Ткань сердечной мышцы наиболее чувствительна к недостаточному
снабжению кислородом, которое провоцирует угарный газ. Нарушениям
работы сердца предшествуют расстройства деятельности головного мозга.
Тяжелые отравления приводят к падению артериального давления, аритмий
сердца, которая может быть причиной быстрой смерти.
Измененные сосуды не способны расшириться, чтобы обеспечить
надлежащий ток крови, поэтому даже при незначительном отравлении
угарным газом могут наступить сердечная астма и инфаркт миокарда.
Неврологические симптомы отравления сочетаются с нарушениями
ориентации, токсической комой, повышением или понижением тонуса
мышц. Компьютерная томография показывает изменения в некоторых
подкорковых процессах. При отравлении СО происходит корковая и
подкорковая атрофии головного мозга.
Как правило, проявляются следующие симптомы:
При лёгком отравлении: - головная боль, стук в висках,
головокружение, боли в груди, сухой кашель, слезотечение, тошнота и рвота.
Возможны также зрительные и слуховые галлюцинации, покраснение
кожных покровов, покраснение слизистых оболочек, тахикардия, повышение
артериального давления.
При отравлении средней тяжести дополнительно проявляются:
сонливость, возможен двигательный паралич при сохраненном сознании.
При тяжёлом отравлении: потеря сознания, коматозное состояние,
судороги, непроизвольное отхождение мочи и кала, нарушение дыхания,
которое становится непрерывным, иногда типа Чейна-Стокса, расширение
зрачков с ослабленной реакцией на свет, резкий цианоз (посинение)
слизистых оболочек и кожи лица.
Смерть обычно наступает на месте происшествия в результате
остановки дыхания и падения сердечной деятельности .
Для того, чтобы в повседневной жизни, чтобы избежать отравления
угарным газом запрещается :
1.Находиться долго в ванной комнате при включенной газовой
колонке, если она находится там, например, наполнять ванну водой, находясь
в ней, читать, курить, засыпать в ванне.
2. Допускать пользование горячей водой в кухне, если кто-нибудь
находится в ванной комнате, а общая колонка также размещена в ванной.
3. Обогревать квартиру с помощью газовой плиты (духовки или всех
включенных конфорок).
4. Варить, жарить и печь при одновременной работе всех 4—5
включенных конфорок газовой плиты.
5. Обогревать помещение с помощью печи, в которой есть щели.
6. Закрывать заслонку печи, пока еще идет процесс горения.
7. Растапливать печь на ночь (без контроля).
8. Заниматься починкой автомобиля в гараже при включенном моторе
и закрытых окнах и двери.
9. Курить, лежа в кровати (можно заснуть, не погасив сигарету, что
станет причиной пожара и отравления угарным газом).
10. Принимать ванну, стирать, готовить в состоянии алкогольного
опьянения (выкипание воды, сгорание пищи, отравление оксидом углерода).
11. Отвлекаться на другие дела во время приготовления пищи.
12. Заниматься самостоятельно (без привлечения профессиональной
помощи) ремонтом газовых и вентиляционных устройств.
Чтобы избежать отравления рекомендуется[81]:
1. Как минимум 1 раз в 3 месяца проверять исправность вентиляции в
кухне и ванной комнате (например, с помощью листа бумаги, свечи).
2. Как минимум раз в году пользоваться услугами профессионального
контроля состояния газовой колонки и плиты.
3. Если вода нагревается при помощи газовой колонки, каждый член
семьи должен сообщать о своем намерении принять ванну.
4. Требовать, чтобы коммунальная служба раз в два года проводила
профилактический осмотр дымохода.
5. Регулярно проветривать квартиру.
При отравлении угарным газом необходимо :
• вывести (вынести) отравленного человека из атмосферы, насыщенной
оксидом углерода;
• проверить у потерявшего сознание человека проходимость
дыхательных путей (очистить ротовую полость от выделений, мокроты,
рвотных масс);
• потерявшего сознание человека уложить на бок в безопасной позе,
следить, чтобы голова не была запрокинута;
• дать пострадавшему кислород (обеспечить доступ свежего воздуха,
открыть окно);
• при отсутствии дыхания произвести искусственное дыхание;
• при отсутствии сердечной ритмической деятельности — непрямой
массаж сердца;
• вызвать скорую медицинскую помощь.
Первая помощь :
Вынести пострадавшего из помещения с высоким содержанием
угарного газа. Если отравление произошло при использовании дыхательного
аппарата, его следует заменить.
При слабом поверхностном дыхании или его остановке начать
искусственное дыхание. Больные с тяжёлым отравлением подлежат
госпитализации, так как возможны осложнения со стороны лёгких и нервной
системы в более поздние сроки.
Способствуют ликвидации последствий отравления: растирание тела,
прикладывание грелки к ногам, кратковременное вдыхание нашатырного
спирта (тампон со спиртом должен находиться не ближе, чем 1 см, тампоном
нужно помахивать перед носом что очень важно, так как при прикосновении
тампона к носу из-за мощного воздействия нашатырного спирта на
дыхательный центр может наступить его паралич) .
СO очень слабо поглощается активированным углём обычных
фильтрующих противогазов, поэтому для защиты от него применяется
специальный фильтрующий элемент (он может также подключаться
дополнительно к основному) — гопкалитовый патрон .
Обычный способ
дыхательного аппарата.
защиты
—
использование
изолирующего
Диоксид серы
К числу важнейших химических загрязнителей приземного слоя
атмосферы относится также сернистый ангидрид. Это вещество под
названием "паров горящей серы" известно людям как минимум со времен
Гомера. Оно появлялось в воздухе при религиозных обрядах, в ходе которых
производилось курение со сжиганием серы. При изучении его свойств погиб
знаменитый естествоиспытатель Древнего Рима Плиний Старший. Однако
собрать "пары горящей серы" в сосуд и в чистом виде изучить их свойства
удалось впервые лишь Дж. Пристли .
В нормальных условиях сернистый ангидрид представляет собой
бесцветный газ с характерным резким запахом (запах загорающейся спички).
Плотность сернистого газа в два с лишним раза выше, чем у воздуха. При
температуре—10°С и нормальном атмосферном давлении он сгущается в
жидкость. Под давлением сернистый ангидрид переходит в жидкое
состояние даже при комнатной температуре. В одном литре воды при 0°С и
нормальном атмосферном давлении растворяется 80 л SO2, а при +20°С — 40
л. ( 100 г воды способны растворить 11,5 г сернистого ангидрида).
Растворимость данного вещества в воде снижается с ростом температуры.
При растворении SO2 в воде образуется нестойкая сернистая кислота .
SO2 — один из основных компонентов вулканических газов,
природными источниками которого являются также пожары, в которых
сгорают углеводороды .
Большое количество диоксида серы образуется при сжигании
углеводородного (в основном твердого) топлива. Поскольку количество
подобного топлива, применяемого в городах, неуклонно сокращается, в
последние десятилетия практически всюду проявляются тенденции к
уменьшению его выбросов в воздушную среду. Уменьшается и суммарное
содержание этого вещества в приземном слое земной атмосферы. В этом
нетрудно убедиться из рисунка 1, на котором представлены зависимости
среднегодовых концентраций SO2 в указанном слое, а также его суммарных
выбросов в него, от времени .
Рисунок 1 – Изменения среднегодовых концентраций SO2(q) в
приземном слое земной атмосферы и его выбросов (М ) в 1990–2006 гг..
Из рисунка 1 видно, что как суммарные выбросы SO2, так и
среднегодовые концентрации в воздухе приземного слоя атмосферы за
рассматриваемый период устойчиво сокращались. При этом нетрудно
заметить, что соответствующие зависимости от времени коррелированы.
SO2 токсичен. Один из основных путей его поступления в организм –
респираторный. Отравления им могут возникать во время обжига серных руд
(при получении серной кислоты) на медеплавильных заводах, при сжигании
содержащего серу топлива в кузницах, котельных, на суперфосфатных
заводах, тепловых электростанциях и т. п.
В лёгких случаях отравления сернистым ангидридом появляются
кашель, насморк, слезотечение, чувство сухости в горле, осиплость, боль в
груди; при острых отравлениях средней тяжести, кроме того, головная боль,
головокружение, общая слабость, боль в подложечной области; при осмотре
— признаки химического ожога слизистых оболочек дыхательных путей.
Длительное воздействие Сернистого ангидрида может вызвать
хроническое отравление. Оно проявляется атрофическим ринитом,
поражением зубов, часто обостряющимся токсическим бронхитом с
приступами удушья. Возможны поражение печени, системы крови, развитие
пневмосклероза. При вдыхании сернистого газа в более высокой
концентрации может возникнуть удушье, расстройство речи, затруднение
глотания, рвота, возможен острый отёк лёгких, смерть. Учитывая это,
концентрации в воздухе SO2 нормируются.
Для этого вещества установлены :
ПДК с.с. (среднесуточная) — 0.15 мг/м3.
ПДК м.р.(максимально-разовая) — 0,5 мг/м³.
ПДК р.з. ( в воздухе рабочей зоны) — 1,0 мг/м3.
Люди по-разному реагируют на двуокись серы. Некоторые
безболезненно переносят до 4 г сульфита в день (т.е. примерно 50 мг на 1 кг
массы тела), а другие уже после приема очень малых количеств жалуются на
головные боли, тошноту, понос или ощущение тяжести в желудке .
Присутствие в свежем мясе и мясопродуктах сульфитов – солей
сернистой кислоты тормозит развитие в них бактерий. Сернистая кислота
стабилизирует также окраску мяса. В результате у потребителя может
сложиться обманчивое впечатление о его свежести. Поэтому в настоящее
время во многих странах присутствие сернистой кислоты в мясе
рассматривается как попытка фальсификации и обмана покупателя.
Сернистую кислоту, тем не менее, используют, как антибактериальное
средство, промежуточный консервант, во многих продуктах из фруктов. Её
применяют для сохранения целых и дроблёных фруктов (используемых для
дальнейшей переработки), сухофруктов, фруктовых соков (используемых как
сырьё), концентратов фруктовых соков, фруктовых пульп и фруктовых пюре.
При этом в атмосферу SO2 помещают подобное сырье или полуфабрикаты
(этот процесс называют сульфатацией). Диоксид серы способен оказывать на
них консервирующее действие, также замедляя образование меланоидинов.
Кроме антимикробной роли сернистая кислота при сульфатации
выполняет и другие функции защиты — от окислительных (ферментативных
и неферментативных) реакций побурения, других реакций окрашивания, от
разрушения витаминов. Необходимая в этих случаях концентрация
сернистой кислоты часто выше концентрации, которая требуется для защиты
от микроорганизмов. На практике (в зависимости от вида продукта)
добавляют от 0,01 до 0,2% SO2, а в отдельных случаях и более .
Удаляют из сульфатированных продуктов
SO2 в процессе их
переработки при нагревании или вакуумировании (данная процедура
называется десульфатацией). В конечном продукте после десульфатации
остаточное количество сернистого редко превышает 0,01 %, (чаще оно
значительно ниже).
Сернистую кислоту применяют также при производстве соков. Её
добавляют к свеже-выдавленному соку для замедления роста уксуснокислых
бактерий, диких дрожжей и плесневых грибов. Культурные дрожжи при
правильной обработке сернистым газом не погибают; поэтому добавление
его к соку обеспечивает быстрое и гарантированное брожение. Кроме того,
обработка сернистым ангидридом замедляет развитие кислоторазрушающих
бактерий. Для соков с низким содержанием кислот, получаемых при
нормальной температуре, требуется примерно 40— 50 мг двуокиси серы на 1
л; для соков, богатых кислотами, достаточно 30-40 мг/л. Если сок получают
при более высокой температуре (например, в южных странах), требуется до
200 мг/л сернистого ангидрида. Большее количество S02 (1500-2000 мг/л)
позволяет вообще исключить брожение. Из обработанного таким образом
«немого» сока в специально сконструированных аппаратах нагреванием до
90—110°С при одновременном пропускании инертного газа можно удалить
двуокись серы до остаточного количества примерно 25-150 мг/л. В
настоящее время добавление сернистого газа или сульфитов во время
брожения (т.е. остановка брожения) считается нежелательным, так как
приводит к слишком высокому содержанию сернистой кислоты в конечном
продукте.
Основной напиток, в котором применяется диоксид серы, — вино (и
полупродукты для его производства). Присутствие в вине диоксида серы
прежде всего уменьшает его бактериальные изменения («болезни вина») —
уксусное скисание, молочнокислое и маннитное брожение, мышиный
привкус и ожирение. Добавление сернистого газа во время и после
приготовления вина приводит также к связыванию ацетальдегида,
стабилизации окраски, а также получению требуемого окислительновосстановительного потенциала. Часть сернистой кислоты связывается с
различными компонентами вина и побочными продуктами брожения, прежде
всего с ацетальдегидом. После удаления сернистого газа соки можно
использовать для производства вин с остаточным сахаром.
Максимально допустимые количества SO2, содержащегося во многих
продуктах питания, заметно различаются. Для продуктов, непосредственно
употребляемых в пищу, они не превышают в большинстве случаев 100 мг/кг.
Для вин максимальная концентрация, в зависимости от страны и сорта вина,
составляет 200-250 мг/л; для некоторых сортов вина она еще выше .
Часто причиной головный болей после употребления вина является
растворенный в нем диоксид серы (сернистая кислота). Повышению
переносимости человека к присутствию в вине этого вещества, способствует
понижение кислотности желудочного сока. При реакции с таким
желудочным соком часть сернистой кислоты связывается. Связанная
сернистая кислота действует на организм, в принципе, так же, как и
свободная, но ощутимо медленнее .
Чувствительность по отношению к SO2 различна, не только у людей,
но и у растений. Из растений наиболее устойчивы по отношению к этому
веществу берёза и дуб, наименее устойчивы сосна и ель. Весьма
чувствительными к присутствию в воздухе SO2 являются розы (в его
присутствии они моментально белеют).
С давних пор сернистая кислота в виде 1—2%-х растворов служит для
дезинфекции аппаратов, сосудов, бутылок, пробок и прочего оборудования и
инвентаря, необходимого в виноделии, производстве напитков и других
отраслях
пищевой
промышленности.
Ёмкость
ополаскивают
микробиологически чистой водой и дают ей стечь, чем сводят до минимума
попадание SO2, в готовый пищевой продукт. Правда, корковые пробки от
длительного воздействия сернистой кислоты портятся. Известен также
способ окуривания сосудов — внутри сосуда сжигают серу и образующийся
сернистый газ оказывает дезинфицирующее действие .
К недостаткам сульфатации продуктов питания следует отнести то, что
внедряемый в них диоксид серы разрушает витамин В1, дисульфидные
мостики в белках, что может вызвать нежелательные последствия. Не менее
существенным недостатком является и то, что при массовой десульфатации,
достичь ее высокого качества для всех обрабатываемых продуктов сложно. В
результате этого часть продуктов поступает к потребителям с избыточным
содержанием серы. Избыточный сернистый газ обладает способностью
вызывать у человека галлюцинации. Хэппи-энд при этом гарантируется не
всем (возможен и смертельный исход).
Присутствие в продуктах или воздухе SO2 может вызывать фатальные
аллергические реакции и у астматиков.
Поэтому диоксид серы
рекомендуется использовать лишь для консервирования продуктов, которые
далее подвергаемых дальнейшей переработке с термообработкой.
Продукт гидратации диоксида серы - сернистая кислота,
взаимодействуя со щелочами и металлами, образует соли – сульфиты.
Сульфиты – белые порошки, которые (за исключением сульфита кальция)
легко растворяются в воде и обладают более или менее сильным запахом
сернистого газа. Гидросульфиты существуют только в растворах; при
выпаривании они превращаются в пиросульфиты (метаби-сульфиты).
При окислении в воздухе сернистого ангидрида образуется серный
ангидрид, взаимодействие которого с каплями водного аэрозоля приводит к
появлению в них серной кислоты.
Природные источники сернистого ангидрида поставляют его в воздух в
количествах много меньших, чем техногенные источники. Среди последних,
к числу основных, поставляющих в воздух ежегодно миллионы тон этого
вещества, являются предприятия цветной и черной металлургии, а также
тепловые электростанции. В Северном полушарии планеты подобных
источников гораздо больше, чем в ее Южном полушарии. Поэтому наиболее
велики концентрации SO2 именно в Северном полушарии (на территориях
США, Западной и Центральной Европы, Китая, России и Украины).
По своим химическим свойствам SO2 относится к кислотным оксидам,
способным взаимодействовать со щелочами :
SO2 + 2NaOH → Na2SO3 + H2O.
Химическая активность SO2 весьма велика. Наиболее ярко выражены
восстановительные свойства SO2. Степень окисления серы в таких реакциях
повышается:
SO2 + Br2 + 2H2O → H2SO4 + 2HBr,
2SO2 + O2 → 2SO3
Для осуществления реакции требуется катализатор V2O5 и температура
не менее +450°С,
5SO2 + 2KMnO4 + 2H2O → 2H2SO4 + 2MnSO4 + K2SO4.
SO3
2−
Последняя реакция является качественной реакцией на сульфит-ион
и на SO2 (в ходе ее происходит обесцвечивание фиолетового раствора).
В присутствии сильных восстановителей, SO2 способен проявлять
окислительные свойства. Например, для извлечения серы из отходящих газов
металлургической промышленности используют восстановление SO2
оксидом углерода(II):
SO2 + 2CO → 2CO2 + S↓.
Еще один пример использование SO2 при получении фосфорноватистой
кислоты:
PH3 + SO2 → H(PH2O2) + S↓
Сернистый ангидрид участвует также в реакциях, при которых
ликвидируется атомарный кислород:
O+ SO2+ М→SO3+ М,
реакциях, при которых происходит ликвидация озона:
O3+SO2→SO3+ O2;
а также реакциях с диоксидом азота:
NO2+SO2→ SO3+NO.
Основная часть выбрасываемого диоксида серы во влажном воздухе
образует кислотный полигидрат SО2•nH2O, который часто называют
сернистой кислотой и изображают условной формулой Н2SО3:
SO2 + H2O = H2SO3.
Сернистая кислота во влажном воздухе постепенно окисляется до
серной:
2Н2SО3 + О2 = 2Н2SO4.
Наряду с химическими реакциями
SO2 участвует также
фотохимических реакциях с образованием атомарного кислорода:
в
SO2+hν+ O2→ SO3+ O
При воздействии на водоемы и почвы основной ущерб возникает за
счет взаимодействия присутствующих там солей, с серной кислотой.
Сульфиты и сульфаты не являются удобрениями, но растения, потребляют
из почвы все то, что находится в растворенном состоянии, в том числе и их.
В результате этого листья и плоды растений страдают от поражения
соединениями серы.
Природными источниками поступления диоксида серы в атмосферу
являются главным образом вулканы и лесные пожары. Естественная фоновая
концентрация SО2 в атмосфере достаточно стабильна, включена в
биохимический круговорот и для экологически благополучных территорий
Евразии равна 0,39 мкг/м3 (Арктика) – 1,28 мкг/м3 (умеренные широты, где
расположена и Украина). Эти концентрации значительно ниже ПДКс.с. по
SО2.
При сгорании углеводородов, содержащих серу (при лесных степных и
подземных пожарах), образуются твердые микрочастицы сульфатов
металлов, легко растворимые в воде, которые осаждаются на почву и
растения, делая кислотными аэрозоли и росы.
Аэрозоли серной и сернистой кислот приводят к конденсации водяного
пара атмосферы и становятся причиной кислотных осадков (дожди, туманы,
снег).
В среднем кислотность осадков, выпадающих в основном в виде
дождей в Западной Европе и Северной Америке на площади почти 10 млн
км2, составляет 5–4,5, а туманы здесь нередко имеют рН, равный 3–2,5.
Загрязнение атмосферы сернистым ангидридом и другими
соединениями серы является существенной причиной возникновения
кислотных дождей, выпадающих в радиусе до 500 км от действующих
вулканов,
Общее количество диоксида серы естественного происхождения в
атмосфере сейчас значительно меньше чем количество этого вещества,
поступившее из антропогенных источников. Суммарный годовой объем
природных выбросов SO2 ныне составляет примерно 20 млн. т . В тоже время
поступление
данного
вещества
антропогенного
происхождения
приближается уже к 100 млн. т. Из них на долю США приходится 20%, на
долю России – менее 10%.
Особенностям техногенного загрязнения приземного слоя атмосферы
SO2 посвящены главы 5 и 6 данного пособия. Здесь, тем не менее,
предварительно упомянем о том, что одним из основных техногенных
источников этого вещества является процесс сжигания богатого серой
углеводородного топлива. Подобным топливом может служить уголь и мазут
(содержание серы в них колеблется от 0,5 до 5–6%). Данный процесс
осуществляется
на
тепловых
электростанциях,
металлургических
предприятиях, при переработке содержащих серу полиметаллических и
других руд, при различных химических технологических процессах на
предприятиях машиностроения.
Выбросы сернистого газа поступают в атмосферу в основном из стран
с высокоразвитой промышленностью. Они ухудшают экологические условия
не только на их собственных территориях, но и на территориях их
ближайших соседей. При этом сернистый ангидрид из атмосферы загрязняет
атмосферные осадки, выпадающие в промышленных районах Азии,
Латинской Америки и Африки. Например, в Восточном Трансваале (ЮАР),
где вырабатывается 4/5 электроэнергии страны, на 1 км2 выпадает около 60 т
серы в год в виде кислотных осадков.
В Украине и России наиболее высокие уровни загрязнения атмосферы
сернистым ангидридом наблюдаются в густонаселенных и промышленных
регионах, в локальных ареалах (площадью до 1 тыс. км2), расположенных в
ближнем следе металлургических предприятий, крупных ГРЭС, а также
больших городов и промышленных центров, насыщенных энергетическими
установками и автотранспортом.
Специфическая особенность кислотных дождей – их трансграничный
характер, обусловленный переносом кислотообразующих выбросов
воздушными течениями на большие расстояния – сотни и даже тысячи
километров. Этому в немалой степени способствует принятая некогда
«политика высоких труб» как эффективное средство против загрязнения
приземного воздуха.
Почти все страны одновременно являются «экспортерами» своих и
«импортерами» чужих выбросов. Наибольший вклад в трансграничное
подкисление природной среды России соединениями серы вносят Украина,
Польша, Германия. В свою очередь, из России больше всего окисленной
серы направляется в страны Скандинавии.
Соотношения здесь такие: с Украиной – 1:17, с Польшей – 1:32, с
Норвегией – 7:. Экспортируется газообразная и «мокрая» часть выбросов
(аэрозоли); сухая часть загрязнений выпадает в непосредственной близости
от источника выброса или на незначительном удалении от него.
Обмен кислотообразующими и другими загрязняющими атмосферу
выбросами характерен для всех стран Западной Европы и Северной Америки.
Великобритания, Германия, Франция больше направляют окисленной
серы к соседям, чем получают от них.
Норвегия, Швеция, Финляндия больше получают окисленной серы от
своих соседей, чем выпускают через собственные границы (до 70%
кислотных дождей в этих странах – результат «экспорта» из Великобритании
и Германии). Трансграничный перенос кислотных осадков – одна из причин
конфликтных взаимоотношений США и Канады.
За несколько десятилетий размах этого бедствия стал настолько широк,
а отрицательные последствия столь велики, что в 1982 г. в Стокгольме
состоялась специальная международная конференция по кислотным дождям,
в которой приняли участие представители 20 стран и ряда международных
организаций. До сих пор острота этой проблемы сохраняется, она постоянно
в центре внимания национальных правительств и международных
природоохранных организаций.
Рекомендованная литература
1. Гусакова Н. В.. Химия окружающей среды. Серия «Высшее
образование». / Гусакова Н. В.// Ростов-на-Дону. Феникс. – 2004.
– 280с.
2. Ахметов Н. С. Общая и неорганическая химия. 5-е изд., испр./ Н.
С. Ахметов // М. - Высшая школа. – 2003. – 480с.
3. Некрасов Б. В. Основы общей химии. Т. I, изд. 3-е, испр. и доп. /
Б. В. Некрасов // М. - Изд-во «Химия». - 1973 г. – С. 495—497,
511—513.
4. Российская энциклопедия по охране труда — 2-е изд. / Отв. ред.
А. Л. Сафонов// М. — НЦ ЭНАС. — 2007. — Т. 2. — 408 с.
5. Вредные вещества в промышленности. Справочник для химиков,
инженеров и врачей. — 7-е изд. / Под ред. Н. В. Лазарева и И. Д.
Гадаскиной.// — Л. — Химия. — 1977. — Т. 3. — С. 240-253.
6. Большая медицинская энциклопедия: В 30-ти Т./Б79 АМН СССР.
3-е изд. / Гл. ред. Б.В. Петровский.//- М. - Советская
энциклопедия. - Т. 17. -С.253.
7. Лужников Е.А. Острые отравления. Руководство для врачей./
Е.А. Лужников, Л.Г.
Костомарова //М. – Медицина. - 2000. -
С.354-359.
Вопросы для самоконтроля усвоения материала
1. Какие газы являются основными компонентами химического
техногенного загрязнения атмосферы?
2. Какие аэрозоли являются основными компонентами
химического загрязнения атмосферы?
3. Может ли образовываться угарный газ при горении органики в
воздухе с нормальным содержанием кислорода?
4. Как соотносятся между собой плотности воздуха и СО?
5. Почему при дыхании воздухом, в котором много кислорода и
много СО человек погибает?
6. Почему при сгорании органического топлива образуется
сернистый ангидрид?
7. Почему дыхание воздуха, содержащего много сернистого
ангидрида опасно для здоровья?
8. Что такое сульфатация?
9. Можно ли есть фрукты непосредственно после сульфатации?
10.Как надо обработать такие фрукты, чтобы они стали
съедобными?
С5. Природные факторы загрязнения атмосферы
Среди факторов, вызывающих значимые изменения химического или
аэрозольного состава приземного слоя земной атмосферы, всегда
присутствуют те или иные природные процессы. К их числу относятся
различные процессы, приводящие к переносу веществ в этом слое, их
химическим превращениям в воздушной среде, а также процессы, влияющие
на их источники.
Процессы переноса являются основной причиной механического
загрязнения атмосферы и значимо влияют на ее химическое загрязнение.
Среди них присутствуют процессы, благодаря которым происходит
перемещение воздуха либо частиц аэрозоля по вертикали: - термическая или
динамическая конвекция, гравитационное осаждение, а также турбулентная
диффузия. Перемещение компонентов воздуха по горизонтали происходит
благодаря воздействию ветра.
Термической конвекцией называются вертикальные движения
жидкости или газа в поле тяжести, обусловленные уменьшением плотности
их нижних слоев, вследствие повышения их температуры. С этим процессом
человек ежедневно встречается в повседневной жизни, и в быту – при
кипячении воды, и у костра на лоне природы и на производстве, где без нее
не могли бы происходить многие технологические процессы. Конвекция
непрерывно происходит во многих жидкостях, газах или плазме, в том числе
в атмосфере, гидросфере, внешнем ядре и мантии Земли, а также в фотосфере
Солнца (при образовании гранул).
Первоначально термин конвекция был предложен в 1834 г. В. Пруттом
для описания распространения тепла в движущейся жидкости.
Впервые возникновение конвекции в горизонтальном слое было
описано Дж. Томсоном в 1888 году. Начало систематическим лабораторным
исследованиям этого явления было положено экспериментами Б. Бенара
(1900 г.), изучившего закономерности формирования упорядоченных
конвективных ячеек в вязкой жидкости .
Первое теоретическое исследование конвекции выполнено в 1916 г.
лордом Релеем, который объяснял ее возникновение действием архимедовых
подъемных сил .
В соответствии с теорией Релея, термическая конвекция в атмосфере
возникает, если к некоторому сегменту приземного слоя атмосферы
подводится тепло, что приводит к увеличению средней скорости движения
молекул содержащихся в нем газов. Вследствие этого нагревшийся воздух
расширяется, а плотность его уменьшается, что приводит к возникновению
силы Архимеда, направленной вверх .
Поднимающийся вверх воздух адиабатически расширяется, вследствие
этого уменьшается не только его плотность, но и температура. Поэтому в
случаях, когда повышение температуры воздуха у земной поверхности не
превышает критических значений, этот процесс не приводит к потере его
устойчивости и проявляется в возникновении колебаний.
Так как молекула воды имеет массу меньше, чем молекула азота и
кислорода, плотность влажного воздуха при прочих равных условиях
несколько меньше, чем плотность воздуха сухого. Поэтому причиной
возникновения конвекции в атмосфере может служить не только
неоднородность поля температуры воздуха, но и его влажности .
Критическими называются значения повышения температуры
воздушного слоя, или упругости содержащегося в нем водяного пара, при
превышении которых происходит потеря его устойчивости и развивается
термическая конвекция. Эти значения зависят от многих характеристик
приземного слоя атмосферы, а также характеристик других ее слоев.
Существенно зависят они от атмосферного давления, вертикального профиля
скорости ветра относительно подстилающей поверхности, ее формы и
теплоемкости, а также многих других характеристик .
Если, в результате тепломассообмена воздушного слоя с
подстилающей поверхностью, его температура и влажность возрастают на
величины, превышающие критические значения, его устойчивость
нарушается и под действием силы Архимеда содержащийся в нем воздух
начинает двигаться вверх, образуя вертикально ориентированные струи. При
этом на место поднимающегося теплого воздуха, сверху непрерывно
опускается более холодный и потому более плотный воздух. В результате в
воздухе образуются вертикально развитые конвективные ячейки, подобные
ячейкам Бенара.
Чем выше поднимается вверх воздух, тем сильней он адиабатически
расширяется, вследствие чего уменьшается не только его плотность, но и
температура. Скорости этих процессов зависят от содержания в нем
водяного пара, определяющего его теплоемкость и плотность.
Скорость снижения температуры воздуха, содержащего ненасыщенный
водяной пар, при адиабатическом подъеме на каждые 100м снижается
несколько менее чем на 1оС.
При наборе достаточной высоты, поднимающийся воздух охлаждается
до точки росы, вследствие чего в нем начинается конденсация, приводящая
к выделению в окружающую среду скрытой теплоты парообразования воды,
переходящей из газообразного состояние в жидкое. За счет этого при
дальнейшем подъеме воздуха он остывает с меньшей скоростью, близкой к
0.6оС на каждые 100 м подъема. Вследствие потерь влаги, происходящих при
конденсации, скорость снижения плотности поднимающегося воздуха
несколько уменьшается.
Конвективный подъем воздуха происходит до высоты, на которой его
плотность оказывается равной плотности воздуха в окружающей среде.
Поэтому высота, до которой происходит подъем воздуха при термической
конвекции, зависит не только от его параметров, но и от распределений по
высоте в окружающей воздушной среде значений температуры и упругости
водяного пара.
На высоте, где движение вверх поднимающегося воздуха
прекращается, значения его температуры и влажности могут несколько
отличаться от значений соответствующих параметров окружающей среды, но
со временем их отличия снижаются до нуля в результате теплообмена и
диффузии.
Нетрудно видеть, что предложенная Релеем модель термической
конвекции предполагает, что, возникающие под действием сил Архимеда,
движения воздуха являются ламинарными. В действительности же это не так,
поскольку все реальные воздушные потоки в атмосфере обладают
характеристиками (значениями чисел Рейнольдса и Ричардсона), при
которых они могут быть лишь турбулентными. Поэтому данная модель
удовлетворительно объясняет лишь качественные закономерности
термической конвекции.
Даваемые теорией Релея оценки критических значений характеристик
воздушного слоя, а также высоты, до которой в атмосфере развивается
термическая конвекция, как правило, существенно завышены. В
действительности, на границах каждой движущейся в атмосфере воздушной
струи формируется турбулентный пограничный слой, представляющий собой
неупорядоченную систему вихрей, имеющих различные пространственные
масштабы.
В турбулентном пограничном слое средние значения всех
характеристик струи плавно изменяются до значений, соответствующих
характеристик окружающей среды. При этом их мгновенные значения в
любой точке подобного слоя являются случайными. Под действием
существующих здесь вихрей в нем непрерывно происходит перемешивание
поднимающегося воздуха с воздухом из окружающей среды, что приводит к
изменению значений его плотности и подъемной силы.
В реальной атмосфере особенности развития термической конвекции
еще более усложняются, поскольку в ней движение как поднимающихся, так
и опускающихся
турбулентных струй происходит в среде,
стратифицированной по плотности, а также температуре, характеризующейся
существованием ветра, поле скорости которого является весьма
неоднородным по высоте .
Весьма
распространенной
в
атмосфере
разновидностью
рассмотренного процесса, является динамическая конвекция - вертикальное
движение теплого воздуха поднимающегося по клину холодного воздуха,
либо подстилающей поверхности, которая является наклонной.
При
динамической
конвекции
в
потенциальную
энергию
поднимающегося воздуха переходит не энергия источника тепла (либо
влаги), а его собственная кинетическая энергия.
Теплый и влажный воздух имеет плотность меньше, чем холодный и
сухой. Поэтому, встречая на пути клин холодного воздуха, либо наклонную
подстилающую поверхность, теплый воздух начинает по ним подниматься.
Попадая в слои воздуха, где атмосферное давление меньше, поднимающийся
воздух расширяется и охлаждается. Если при этом он охлаждается до точки
росы, то возникает конденсация, при которой в окружающую среду
выделяется тепло. Благодаря этому высота, на которую поднимается при
динамической конвекции влажный воздух больше, чем та на которую
поднимается, при прочих равных условиях, воздух сухой.
Динамическая конвекция наиболее часто появляется при движении
влажных и теплых масс воздуха на склоны гор, где в результате ее
существенно возрастает интенсивность атмосферных осадков (что типично
для Южного берега Крыма).
Еще одним важнейшим процессом, благодаря которому из приземного
слоя атмосферы удаляются на подстилающую поверхность содержащиеся в
нем вещества, является гравитационное осаждение.
Сущность данного процесса состоит в том, что содержащиеся в данном
слое вещества, присутствующие в виде газов или частиц аэрозоля,
взаимодействуют и сорбируются более крупными частицами, которые, под
действием силы тяжести, движутся на подстилающую поверхность. Частицы,
выступающие при этом в роли сорбентов, могут иметь различную природу, в
том числе, и сами способны содержать загрязняющие вещества (например,
углерод, который является основным компонентом частиц сажи). Одними из
наиболее эффективных такого рода сорбентов являются капли дождя и
мороси, а также снежинки.
Все перечисленные виды атмосферных осадков образуются в облаках
и под действием силы тяжести движутся сквозь приземный слой атмосферы к
подстилающей поверхности. Дождь и морось – жидкие атмосферные осадки,
которые различаются между собой
по величине средних диаметров
образующих их капель.
Капли дождя имеют сферическую конфигурацию и диаметры от 0.5 до
6 мм. Более крупные капли неустойчивы. При падении в воздушной среде
они меняют свою форму, сплющиваются, пульсируют и распадаются на
более мелкие. Скорость падения мельчайших капель дождя составляет 4 м/с,
а самых крупных- 9.17 м/с. Траектории падения различных дождевых капель
практически параллельны, вследствие чего от них спасает зонтик.
Капли мороси имеют диаметры от 0.05 до 0.5 мм. Для таких капель
значения отношений их объема к площади поперечного сечения существенно
меньше, чем для капель дождевых. Вследствие этого сила
аэродинамического сопротивления уравновешивает их вес при существенно
меньших значениях их скорости. Скорость гравитационного осаждения
самых мелких капель мороси не превышает 0.3 м/с, а самых крупных может
достигать-4 м/с.
Траектории движения капель мороси весьма разнообразны и
существенно отличаются от прямолинейных. Вследствие этого зонтик от
мороси защищает гораздо хуже.
Существенная доля атмосферных осадков, поступающих в приземный
слой атмосферы, представляет собой снег. В Москве в таком виде в среднем
за год выпадает до 30% осадков, в Астрахани-22,6%, в Херсоне-11%.
Наиболее крупные снежные хлопья могут достигать размеров до 8-10
см. При их таянии могли бы возникать капли дождя диаметром до 6мм.
Несмотря на то, что диаметры капель, выпадающих из одного и того же
облака практически одинаковы, размеры капель проходящих сквозь
приземный слой атмосферы, могут существенно различаться. Происходит это
потому, что при движении капель в воздушной среде может происходить их
испарение и коагуляция.
Испарение – переход воды из жидкого состояние в газообразное.
Важнейшей характеристикой этого процесса является его интенсивность.
Интенсивность испарения капель жидких атмосферных осадков тем выше,
чем меньше значения диаметра капель и
относительной влажности
окружающей их воздушной среды.
Испарение воды с поверхности капель всегда приводит к снижению
температуры их поверхности. При температуре воздуха +15 оС и
относительной влажности 90% температура капель составляет +14оС, а при
относительной влажности 60% она снижается до +11оС.
При испарении капли теряют в основном молекулы воды, в то время
как количества молекул прочих веществ (кислот, солей и др.) в них
практически не убывают. Благодаря испарению, капели, выпавшие из
облаков, уменьшаются в объеме и иногда не достигают земной поверхности.
Коагуляцией называется процесс укрупнения капель либо снежинок
путем их слияния. Этот процесс происходит при их столкновениях.
Различают коагуляцию гравитационную, молекуляроно-кинетическую
и турбулентную.
Гравитационная коагуляция – слияние капель либо снежинок,
движущихся к земле с разными скоростями. Это явление происходит
потому, что частицы, имеющие разные размеры движутся в воздухе с
разными скоростями. Более крупная капля всегда имеет более высокую
скорость и может догонять более мелкую. Более крупная снежинка, напротив
всегда падает медленнее, чем более мелкая.
Частицы аэрозоля «вымываются» из приземного слоя атмосферы в
основном благодаря гравитационной коагуляции.
Капли мороси испытывают не только гравитационную, но и
молекулярно – кинетическую коагуляцию. В последнем случае их
столкновения происходят потому, что они участвуют в хаотичном,
Броуновском движении. Благодаря такому же хаотичному движению
молекул воздуха, падающей сквозь него каплей вымываются газообразные
вещества в канале, имеющем форму кругового цилиндра, радиус основания
которого существенно больше, чем радиус этой капли.
Ветром называется — поток воздуха, движущийся преимущественно в
горизонтальном направлении со скоростью свыше 0,6 м/с.. Различные ветры
были известны человеку с древнейших времен, который знал, что они могут
быть как друзьями, так и врагами. Человека всегда пытался использовать их
энергию (для передвижения под парусом по морям и осуществления многих
технологических процессов), опасаясь при этом сильных ветров, способных
порождать разрушения и катастрофы.
С древнейших времен была известны способность ветра влиять на
формирование рельефа (эоловые отложения, эоловая эрозия), а также
переносить в воздухе содержащиеся в нем частицы на значительные
расстояния. Поскольку среди этих частиц могут присутствовать компоненты
загрязнения атмосферы и семена растений, ветры являются важнейшими
экологическими факторами. Сильные ветры в приземном слое атмосферы
могут порождать пылевые и песчаные бури, уносящие частицы почвы, песка
и пыли на тысячи километров.
Ветры различают по масштабам, скорости, видам сил, которые их
вызывают, местам распространения и воздействию на окружающую среду.
В метеорологии ветры классифицируют, в первую очередь, по их силе,
продолжительности и направлению, откуда этот ветер дует. Специальные
названия даны наиболее сильным ветрам. Если подобные ветры
кратковременны (продолжаются до нескольких секунд), их принято называть
порывами, если их продолжительность до нескольких минут - шквалами.
Сильные ветры большой продолжительности называют бурями, штормами,
ураганами, тайфунами, смерчами и т. д..
Названия имеют и ветры, образующие глобальную циркуляцию
атмосферы – пассаты (всегда переносящие воздух с востока на запад в
тропиках),
западные
ветры
(доминирующие
над
умеренными
климатическими поясами), а также сезонные крупномасштабные ветры
муссоны.
Имена собственные даются также ветрам, наиболее часто
возникающим на той или иной местности. Примерами таких ветров является
бриз – ветер хорошей погоды, характерный для побережий обширных
водоемов , фен – ветер горных склонов, предвещающий ухудшение погоды
и др.
Ветры возникают в результате неравномерного распределения
атмосферного давления. Воздух всегда начинает двигаться от зоны высокого
давления к зоне низкого давления. Под действием силы Кориолиса, ветер в
северном полушарии всегда отклоняется от направления между этими
зонами вправо, а в южном полушарии - влево. Вследствие непрерывного
изменения давления во времени и пространстве скорость и направление
ветра постоянно меняются. С высотой скорость ветра меняется из-за
убывания силы трения.
Для визуальной оценки скорости ветра служит шкала Бофорта.
Метеорологическое направление ветра указывается азимутом точки, откуда
дует ветер.
При ветре, порождающем в приземном слое атмосферы
турбулентность, происходит коагуляция как жидких, так и твердых
атмосферных осадков, которая называется турбулентной.
В результате коагуляции и испарения капли дождя, проходящие сквозь
приземный слой атмосферы, обладают
различными диаметрами.
Зависимость доли общего объема воды, выпадающего на единицу земной
поверхности - F(r), приходящейся на капли радиусом менее r , от величины r
приближенно описывается выражением:
F(r)= 1- exp (-r / а)2.25,
(1)
здесь:
а- параметр, зависящий от интенсивности дождя (при
интенсивности 0.5 мм/час а=1.1мм; при интенсивности 10 мм/час а=2.2мм).
Турбулентность в приземном слое атмосферы является также
существенным механизмом переноса в нем загрязняющих веществ. Она
порождает в нем турбулентную диффузию.
Турбулентная диффузия - разновидность диффузии – процесса
проникновения молекул одного вещества внутрь другого, вследствие
наличия у них собственной кинетической энергии.
Основоположником теории диффузионных процессов в газах является
Томас Грэм (1805- 1869). Исследуя закономерности диффузии в газах Грэм в
1831 сформулировал ее основной закон: скорость диффузии в газе обратно
пропорциональна квадратному корню из его плотности.
Он установил
также, что диффузия некоторого вещества всегда происходит в направлении
падения его концентрации и ведёт к равномерному его распределению по
всему занимаемому им объёму. Она наблюдается в газах, жидкостях и
твёрдых телах, но наиболее быстрой является в газах.
Частицы газа и содержащихся в них аэрозолей, обладают импульсами,
равномерно распределенными по различным направлениям, которые при их
взаимодействиях с другими частицами скачкообразно изменяются
случайным образом. Поэтому в них траектория движения каждой подобной
частицы представляет собой ломаную линию.
Неупорядоченность движения частиц газа приводит к тому, что каждая
из них постепенно удаляется от места своего первоначального расположения.
При этом их смещения по прямой гораздо меньше путей, пройденных ими
по фактическим, ломанным траекториям. В результате фактическая скорость
переноса вещества при диффузии много меньше скорости собственного
движения его молекул. Коэффициент пропорциональнсти D между средним
квадратом смещения частицы L, которое произошло за отрезок времени t и
продолжительностью этого отрезка, называется коэффициентом диффузии L2
~ Dt
Это соотношение, полученное А. Эйнштейном, справедливо для любых
видов диффузии, из которых основными являются молекулярная и
турбулентная диффузия. В отличие от молекулярной диффузии, при которой
проникновение в межмолекулярные промежутки другого вещества
осуществляют одиночные молекулы, при турбулентной диффузии в нем
участвуют целые струи, что гораздо эффективней. Последнее выражается в
том, что при прочих равных условиях значения D для турбулентной
диффузии лежит в пределах 10-4-10-2 м2/с, что в 10- 10000 раз больше, чем
при молекулярной диффузии, для которой его величина составляет от 10 -5 до
10 - 6 м2 / сек.
При молекулярной диффузии в газах коэффициент диффузии прямо
пропорционален длине свободного пробега их молекул, обратно
пропорционален давлению, а с ростом их температуры Т увеличивается
пропорционально
Т1/2.
С
увеличением
молекулярной
массы
диффундирующего вещества, значения D уменьшаются. Поэтому
молекулярная диффузия существенно влияет на перенос веществ только в
термосфере планеты, где атмосферное давление на много порядков меньше,
существующего у земной поверхности, а в воздухе, за счет диффузионного
разделения газов в поле силы тяжести, начинают доминировать водород и
одноатомные газы.
В бинарной смеси газов, молекулы которых взаимодействуют как
твёрдые сферы с диаметрами σ1и σ2, коэффициент диффузии может быть
рассчитан как:
(2)
где σ12=0.5(σ1 +
масса:
51].
σ2 ) ср. диаметр частиц; т' -- приведённая
, где m1 и m2 - массы частиц [49,
Турбулентная диффузия, как и молекулярная, обусловлена переносом
молекул вещества из области с большей его концентрацией в область с
меньшей концентрацией, но протекает не в неподвижной среде, а в
движущейся. Она возникает потому, что в результате взаимодействия ветра
с подстилающей поверхностью в приземном слое атмосферы, как правило,
возникает
турбулентность
–
совокупность
вихрей
различного
пространственного масштаба.
Значения
D при турбулентной диффузии определяются
распределением этих вихрей по их размерам. Если среди них преобладают
микромасштабные, особенности переноса вещества турбулентной диффузией
практически
аналогичны
рассмотренным
выше,
особенностям
молекулярной диффузии. Если существенная доля энергии турбулентности в
рассматриваемом слое приходится на вихри большого размера, особенности
турбулентной и молекулярной диффузии существенно разнятся.
Турбулентность, содержащая такие вихри, перестает быть неупорядоченной.
Химические факторы изменчивости состава приземного слоя
атмосферы
К химическим факторам изменчивости состава приземного слоя
атмосферы относятся процессы, в ходе которых одни вещества,
содержащиеся в приземном слое атмосферы, превращаются в другие.
Процессы превращения веществ в данном слое воздуха протекают как
в образующих его газах, так и в аэрозолях. Основными процессами такого
рода, происходящими в газах, являются их окисление, а также фотолиз,
происходящий под влиянием коротковолновых составляющих солнечной
радиации.
Важнейшим и наиболее распространенным такого рода процессом
является окисление, поскольку главный участвующий в нем реагент –
кислород, является не только главным биоэлементом, но и наиболее
распространенным химическим элементом на нашей планете.
Кислород составляет (по массе) 47% литосферы, 88,8% гидросферы
и в свободном состоянии содержится в атмосферном воздухе ( -23,1% ).
Кислород входит в состав 1364 минералов, важнейших органических
веществ и содержится в любых живых организмах.
Атомный номер кислорода 8, атомная масса 15,9994. В природе
встречаются 3 стабильных изотопа кислорода 16О, 17О и 18О, а также 5 его
радиоактивных изотопов, с периодами полураспада: 13О — 0,008 с, 14О —
76,5 с, 15О — 123 с, 19О — 29,1 с, 20О — 14 с.
В свободном состоянии и при нормальных условиях кислород –
двухатомный газ, без цвета, запаха и вкуса, способный распадаться под
воздействием ультрафиолетовой радиации или электрических разрядов, с
возникновением
атомарного кислорода, а также образовывать
аллотропическую модификацию — озон (О3). Наиболее химически
активными его формами являются атомарный кислород и супероксидный
анион-радикал (продукт одноэлектронного восстановления О2).
При 0°С, давлении 760 мм рт. ст. масса 1 л кислорода составляет
1,42895 г, мольный объем 22,3947 л, относительная плотность по воздуху
1,1053. Растворимость кислорода при нормальном атмосферном давлении в
100 объемах воды при 0, 20 и 100° С соответственно составляет 4,91; 3,11 и
1,70 объема.
Основными
источниками
свободного
кислорода
являются
биологический фото и хемосинтез, при которых из воздуха поглощается
диоксид углерода.
Кислород реагирует со всеми веществами присутствующими в
атмосфере (за исключением инертных газов) с образованием нормальных
оксидов (окисей) и пероксидов (перекисей). В воздушной среде окисление
может происходить как быстро (горение), так и медленно (коррозия
металлов, окисление минералов при их выветривании, окисление масел с
образованием смол, свободнорадикальное, или перекисное, окисление
органических молекул, в т.ч. липидов, гниение органических остатков и
дыхание живых организмов). При быстром окислении тепло, выделяющееся
в окружающую среду, не успевает рассеиваться, что может приводить к
дальнейшему разогреву реагирующих веществ и дальнейшему увеличению
количества
выделяющегося
тепла.
Процесс
иногда
развивается
лавинообразно и может принимать форму взрыва.
Примером быстрого окисления является реакция в смеси кислорода с
водородом (гремучий газ), сопровождающаяся взрывом. Примером
медленного окисления может служить происходящая в воздухе реакция
превращения оксида азота в диоксид.
2NO+O2 = 2 NO2.
Конечными продуктами окисления органических веществ являются
углекислый газ и вода. В ходе этого процесса выделяется энергия,
необходимая для жизнедеятельности организма. Образуя с гемоглобином и
другими дыхательными пигментами непрочные соединения, кислород
транспортируется кровью в ткани организма и используется для процесса
тканевого дыхания. Длительное дыхание чистым кислородом вредно, так как
при этом
активируются процессы неферментативного перекисного
окисления биомолекул, что ведет к необратимому нарушению обмена
веществ.
Интенсивность процессов окисления любых веществ существенно
зависит от температуры окружающей среды. При некоторых температурах
воздуха при медленном окислении вещества возникает ощутимое повышение
его температуры. Такая температура воздуха называется температурой
саморазогрева этого вещества.
При дальнейшем повышении температуры воздуха окисление данного
вещества будет сопровождаться еще большим выделением тепла, вследствие
чего может произойти переход из режима медленного окисления в режим
быстрого окисления.
Многие вещества
в одном диапазоне температур окисляются
медленно, а в другом быстро. Вещества способные к быстрому окислению
называются горючими. Среди них обширную группу составляют вещества,
у которых эта способность проявляется в воздухе.
Подобными свойствами обладают активированный уголь, фосфор
белый, растительные масла и жиры, водород, сернистые металлы,
алюминиевый порошок, карбид щелочных металлов, порошкообразные
железо, цинк и др..
Одни из подобных веществ (например водород) окисляются настолько
быстро, что этот процесс приобретает вид взрыва. Другие вещества
(например, - белый фосфор) окисляются не столь бурно. Их горение
возникает лишь через некоторое время. Белый фосфор возгорается через
несколько секунд, а свежеприготовленный активированный уголь несколько суток). В аэрозоле скорость саморазогрева до температуры
возгорания всех подобных веществ зависит от их дисперсности и
концентрации и может резко возрастать.
Переход из медленного режима окисления в режим быстрого
окисления называется воспламенением (возгоранием).
Наименьшая температура воздуха, при которой происходит
воспламенение горючего вещества, называется температурой воспламенения.
В зависимости от типа реакций, при которых выделяется тепло в
окисляющемся
веществе,
различают
тепловое,
химическое
и
микробиологическое самовозгорание.
Безопасной температурой нагревания вещества принято считать
температуру, не превышающую 90% от температуры самовозгорания.
Температурой вспышки называется наименьшая температура вещества,
при которой воздухе им образуются пары, способные вспыхивать под
воздействием внешнего источника зажигания.
Предельные концентрации в воздухе паров вещества, в пределах
которых возможно его воспламенение называют соответственно нижним и
верхним пределами их воспламенения. Безопасной концентрацией паров в
воздухе считают ее значение, не превышающее 50% от нижнего предела их
воспламенения.
Температурными пределами воспламенения паров некоторого
вещества в воздухе называют такие их температуры, при которых
насыщенные пары образуют концентрации, равные соответственно нижнему
и верхнему концентрационным пределам воспламенения.
Предельно допустимой взрывобезопасной концентрацией паров
вещества, при работе с применением огня, искрящего инструмента, является
их концентрация, которая не превышает 5% от соответствующего значения
нижнего
предела
воспламенения
(при
отсутствии
в
воздухе
конденсированной фазы).
Существенным фактором изменчивости состава приземного слоя
атмосферы являются также происходящие в нем фотохимические реакции химические превращения, протекающие в воздухе под действием солнечной
радиации видимого и ультрафиолетового диапазонов.
Первые доказательства того, что подобные реакции возможны, были
получены в 1727 И. Г. Шульце, который доказал это изучая почернение
хлорида серебра. В 1802 И. Риттер исследовал химическое действие
солнечной радиации, относящейся к различным участкам ее спектра, и
впервые выявил существование ультрафиолетовой радиации.
В 1818 г. Т. Гротгус сформулировал один из основных законов
фотохимии: химическое действие может произвести только свет, который
поглощается реагирующими молекулами. К такому же выводу пришел
независимо американский ученый Джон Уильям Дрепер, вследствие чего
этот первый фотохимический закон получил название закона Гротгуса –
Дрепера.
В начале 20 в. А. Эйнштейном и И. Штарком был сформулирован
второй закон фотохимии, согласно которому, первичный фотохимический
акт происходит под действием одного кванта света – фотона. Поэтому этот
закон называют также законом квантовой эквивалентности.
Второй закон фотохимии служит основой для расчета квантового
выхода фотохимической реакции, который равен числу прореагировавших
молекул, деленному на число поглощенных квантов. Квантовый выход,
определяемый экспериментально, позволяет судить о механизме
фотохимической реакции.
Молекула, поглотившая в первичном процессе квант света,
приобретает избыточную энергию, поэтому такую молекулу называют
возбужденной. В отличие от теплового воздействия, когда возбуждаются
колебательные движения молекулы и возрастает ее кинетическая энергия,
при поглощении фотона энергия передается электронам, которые переходят
на более высокие энергетические уровни. Подобные электроны могут за
очень короткое время (порядка 10–9 с) вернуться в основное состояние,
отдавая избыточную энергию в виде кванта света (как правило, с меньшей
энергией). Этот процесс называется флуоресценцией.
Если же в результате столкновения возбужденной молекулы с другими
молекулами происходит передача избыточной энергии, то интенсивность
флуоресценции снижается – частично или полностью. Такие процессы с
потерей энергии называются тушением флуоресценции. Возбужденное
состояние может также перейти в более долгоживущее (от 0,001 с до
нескольких минут) триплетное состояние, энергия которого ниже.
Испускание света из этого состояния называется фосфоресценцией.
Возбужденная светом молекула может также вступать в различные
химические реакции. Свойства электронно возбужденного состояния могут
сильно отличаться от свойств основного состояния молекулы. Так как у
каждой молекулы существует лишь одно основное, но несколько
возбужденных состояний, фотохимия данного соединения может быть
существенно богаче его химии в основном состоянии. В результате
появляется возможность осуществлять необычные химические превращения,
не свойственные веществам в основном состоянии.
В большинстве фотохимических реакций получаемая молекулой
энергия превышает типичные энергии активации темновых (термических)
реакций и может даже превосходить энергию разрыва химических связей.
Подобные реакции называются фотодиссоциацией. Они приводят к
разрушению молекул и образованию свободных радикалов. Примером
могут служить реакции поставить номер формул
О2+ hν = Ο+Ο,
О3+ hν = Ο2+Ο,
Cl2 + hν = Cl + Cl;
Н2О+ hν = Н+ОН
и другие. Образующиеся атомы и радикалы обладают высокой
реакционной способностью и могут вступать в темновые реакции. Подобные
реакции могут быть цепными, вследствие чего квантовый выход суммарной
реакции может быть много больше единицы. Подобное имеет место в
реакции молекулярного хлора и водорода. Квантовый выход HCl при
облучении смеси этих газов светом может достигать сотен тысяч.
Взаимодействие атомарного кислорода с молекулами углеводородных
соединений, входящих в состав выхлопных газов автомобильных двигателей,
приводит к появлению в воздухе радикалов RO и RO2
Существенную роль в изменении состава приземного слоя атмосферы
играет происходящая в нем реакция фотодиссоциации NO2, приводящая к
образованию NO + O.
Атомарный кислород далее участвует в образовании озона:
O+O2=O3
Часть озона, реагирует с NO, что приводит к образованию NO2.
O3+ NO= NO2+О2
При этом некоторые молекулы NO2 образуются в ходе реакций NO с
пероксильными радикалами RO2:
NO+ RO2= NO2+ RO
В результате этого часть молекул озона O3 накапливается в приземном
слое атмосферы. Именно поэтому загрязнение приземного слоя атмосферы
газообразными углеводородами приводит к накоплению в нем приземного
озона, являющегося не только парниковым газом, но и веществом 1-го класса
опасности.
Возбужденные светом молекулы могут также вступать в реакции
переноса
электрона,
которые
называются
фотоокислением
и
фотовосстановлением. Примером подобных реакций является превращение в
спирты карбонильных соединений в воздухе, происходящее под
воздействием света. В карбонильных соединениях с двойной связью С=О
под действием света могут протекать реакции фотоприсоединения, с
образованием весьма активного химически бирадикала.
Особую группу фотохимических реакций образуют реакции
фотосенсибилизации. В ходе подобных реакций возбужденные светом атомы
или молекулы передают избыточную энергию другим атомам или
молекулам, которые и взаимодействуют между собой. Так, например,
происходит диссоциация метана в воздухе, содержащем пары ртути, под
воздействием ультрафиолетовой радиации с длиной волны 253,7 нм. Это
излучение метаном не поглощается, но возбуждает атомы ртути, которые
передают избыток энергии молекулам метана, создавая тем самым условия
для протекания реакции:
СН4 + hν = СН3 + Н
Важную роль в изменениях химического состава приземного слоя
атмосферы играют реакции, протекающие с участием частиц аэрозоля, либо в
них. Аэрозоли являются одним из постоянных компонентов атмосферы. Они
представляют собой двухфазные среды. Диспергирующая среда – воздух, а
дисперсная среда – твердые или жидкие частицы радиусом более 10-9м.
Распределение частиц аэрозоля по диаметрам, как правило, содержит
три явно выраженных максимума. Первому соответствуют самые мелкие
частицы с диаметрами от 0.01 до 0.05мкм, которые называют ядрами
Айткена и рассматривают как нуклеарную моду аэрозоля. Эти частицы
столь малы, что вокруг них не могут образовываться водяные оболочки.
Второй максимум образуют частицы диаметрами от 0.2 до 0.6 мкм,
которые относят к аэрозолям Ми. Многие из них образуются за счет
коагуляции частиц Айткена и способны создавать вокруг себя водяные
оболочки. Поэтому такие частицы называют также коагуляционными или
конденсационными. Именно они чаще всего являются атмосферными ядрами
конденсации и могут осаждаться в приземный слой атмосферы из
проходящих облаков.
Самым крупным частицам, диаметрами от 1 мкм и более, соответствует
третий максимум. Подобные частицы способны осаждаться из атмосферы
под действием силы тяжести и потому они образуют гравитационную моду.
Скорость их падения в атмосфере приблизительно пропорциональна
квадрату их радиуса.
Распределение содержащихся в воздушном слое взвешенных частиц по
их размерам зависит от высоты этого слоя над уровнем моря.
Вблизи земной поверхности чаще встречаются самые крупные
пылинки. Их диаметры достигают 20 мкм и более. В свободной атмосфере,
на высотах 1-3 км над уровнем моря преобладают пылинки диаметром от 0.5
до 1 мкм. Количество аэрозольных частиц в тропосфере с высотой
уменьшается. При этом законы уменьшения содержания частиц различного
диаметра близки к экспоненциальному:
N(z) = N(0)exp{-z/Ho},
(3)
Здесь N(0)- концентрация частиц некоторого размера у земной
поверхности, а Ho- параметр, зависящий как от размера частиц, так и от
развития турбулентности в атмосфере.
Осредненные значения рассматриваемых параметров для частиц
различного радиуса приведены в таблице 1.
Таблица 1 Осредненные параметры зависимостей от
количества аэрозольных частиц различного радиуса в тропосфере.
Средний
частицы (мкм)
радиус
N(0)
z (км)
0.05
104
3
0.5
100
2
5
10-3
0.7
высоты
При отсутствии атмосферных осадков, концентрация в воздухе любых
частиц аэрозоля по мере удаления от земной поверхности, как правило,
уменьшается. Воздух над Москвой на высоте 4000м их содержит в 15-20 раз
меньше, чем у земной поверхности.
Концентрация в приземном слое атмосферы частиц аэрозоля
существенно зависит от ветрового режима территории. В периоды
увеличения скорости ветра ее значения, как правило, возрастают.
Существенно влияет на ее временную изменчивость также режим
выпадения атмосферных осадков. После дождей и снегопадов воздух от пыли
освобождается.
Значимым фактором распределения в воздухе частиц аэрозоля является
его температурная стратификация. Чем больше вертикальный градиент
температуры воздуха, тем этот воздух устойчивей и меньше интенсивность
конвективных потоков, уносящих частицы аэрозоля от земной поверхности.
Вследствие этого в наиболее знойные дни запыленность нижних слоев
атмосферы, как правило, невелика.
Частицы аэрозоля способны перемещаться в воздушной среде не
только по вертикали, но и по горизонтали. Подобные смещения могут
происходить под действием ветра, внешней силы (электрического или
магнитного поля), а также благодаря неоднородности полей температуры
воздуха и их концентрации. При этом их скорость такова, что ускоряющая
сила уравновешивается силой аэродинамического сопротивления.
В неоднородной среде частицы аэрозоля смещаются из областей с
большими значениями температур и концентраций, в области с меньшими их
значениями. Эти смещения называются термо- и диффузиофорезом.
Частным случаем термофореза является фотофорез - движение частиц
аэрозоля под действием света. Его причиной является повышение
температуры этих частиц, вследствие поглощения ими света
Особенности химических реакций, в которых участвуют частицы
аэрозоля, определяются вещественным составом их ядер, наличием водяной
оболочки, а также их средним диаметром. Часть веществ, образующих ядра
аэрозолей, непосредственно поступает в атмосферу с земной поверхности.
Прочие образуются в них в результате фотостимулированных и темновых
химических реакций.
Вещественный состав ядер частиц аэрозолей значимо влияет на их
способность создавать и удерживать вокруг себя водяные оболочки. Если
они образованы гигроскопичными или растворимыми в воде веществами,
образование вокруг них водяных оболочек более вероятно. Этот процесс идет
тем активнее, чем они меньше. Если ядра не растворимы в воде, то
вероятность образования вокруг них водяных оболочек тем больше, чем
больше их диаметр, поскольку величина насыщающей упругости водяного
пара на криволинейной поверхности обратно пропорциональна квадрату
радиуса ее кривизны.
Наличие у частицы водяной оболочки существенно влияет на ее
сорбционные способности. Благодаря аномально высокому значению
коэффициента поверхностного натяжения, поверхность водяной оболочки
способна гарантировано захватывать любые соприкасающиеся с ней ядра
Айткена и другие частицы, исключая их последующий разлет.
Водяная оболочка также эффективно сорбирует из окружающей среды
любые содержащиеся в ней газы, концентрации которых в ней всегда
являются насыщающими, вне зависимости от их содержаний в воздушной
среде. Насыщение водяной оболочки азотом и кислородом происходит
быстрее, а газами, присутствующими в воздухе в малых концентрациях, медленнее. Тем не менее, этот процесс в любом случае приводит в
соответствие концентрации растворенных газов и значения их
растворимостей, зависящие от температуры воды.
Поскольку среди газов, сорбируемых водяными оболочками частиц
аэрозоля, всегда присутствуют NO2, SO2, CO2, являющиеся ангидридами
соответствующих кислот, в них происходят реакции образования этих
кислот. Поэтому воды, образующие оболочки конденсационных аэрозолей,
всегда обладают кислой реакцией (pH<7).
Поскольку в вещественном составе ядер Айткена присутствуют
различные тяжелые металлы, углеводороды и многие другие соединения,
благодаря их сорбции водяными оболочками аэрозолей, в них протекают
многочисленные химические реакции образования соответствующих солей и
других веществ, среди которых могут встречаться и опасные для здоровья
человека.
Диаметр частицы аэрозоля определяет площадь ее поверхности, на
которой и протекают химические реакции ее вещества с окружающей средой.
Его величина существенно зависит от источника, образовавшего
соответствующую частицу.
Способны существенно влиять на состав приземного слоя атмосферы
воздуха и химические реакции, протекающие на поверхностях твердых
частиц аэрозолей. Радиационно-химические процессы на поверхности таких
частиц приводят к усложнению их состава, либо фотолизу, а также
выделению в атмосферу новых газообразных веществ.
Многие вещества, содержащиеся в аэрозолях, токсичны. К последним
относятся радионуклиды, токсичные микроэлементы, канцерогены
(пестициды, полихлорбифенил, а также другие полиядерные ароматические
углеводороды ). Поэтому содержание в атмосфере некоторых видов
взвешенных частиц нормируется. Сведения о максимальноразовых и
среднесуточных значениях их ПДК представлены в приложении А.
Свойства частиц аэрозоля как химических реагентов существенно
зависят и от наличия у них электрических зарядов. Аэрозольные частицы
способны приобретать его при трении о воздух, в результате конденсации на
ионах, разрушения потоками воздуха, сорбции ионов водяными оболочками,
термоэлектронной или термоионной эмиссии, а также при освещении
(фотоэффект). Частицы, обладающие некоторым электрическим зарядом
способны эффективно коагулировать с частицами, обладающими
противоположным зарядом, которые были удалены от них на значительные
расстояния. В тоже время вероятность коагуляции одноименно заряженных
частиц существенно ниже, чем для частиц электрически нейтральных.
Факторы влияющие на изменчивость характеристик природных
источников загрязняющих веществ , содержащихся в приземном слое
атмосферы.
Основными природными источниками загрязнения приземного слоя
атмосферы являются подстилающая поверхность, а также расположенные
над ним слои атмосферы .
Наибольшее количество загрязняющих веществ (далее ЗВ) поступает в
приземный слой атмосферы с подстилающей поверхности. Потоки веществ,
поступающие в него с поверхности материков и Мирового океана,
образуются в результате процессов испарения, сублимации, ветровой эрозии
почв, эндогенной и экзогенной дегазации горных пород, а также
жизнедеятельности организмов, которые обитают на ней.
Интенсивности процессов испарения, сублимации, дегазации и
характеристики многих биогенных источников подобных потоков зависят от
температуры и степени увлажнения подстилающей поверхности.
Существенно зависит от увлажнения почвы также интенсивность ее ветровой
эрозии, на которую влияет также характеристики ветра. Поэтому к числу
важнейших природных процессов, управляющих потоками веществ,
поступающих в приземный слой атмосферы с подстилающей поверхности,
являются метеорологические процессы, влияющие на температуру,
увлажнение подстилающей поверхности, а также ветровой режим.
Вследствие суточной, сезонной и межгодовой изменчивости характеристик
таких процессов, природные потоки веществ, поступающих в приземный
слой атмосферы с подстилающей поверхности, существенно зависят от
времени.
Среди загрязняющих веществ, поступающих в приземный слой
атмосферы с подстилающей поверхности, присутствуют также некоторые
естественные радионуклиды, называемые примордеальными. Сведения об их
средней
активности в приземном слое атмосферы, полученные из
[http://phis.rsu.ru/web/nuclear/radioecologie/fRE7.htm], приведены в таблице 2.
Таблица 2. Сведения о средних
активностях примордеальных
радионуклидов в приземном слое земной атмосферы .
Радионукли
д
Удельная
активность
Радионукли
д
Удельная
активность
мБк/м3
Свинец
(210Pb)
Радон
0,5
(0,00370,60)
над Индийским
океаном
0,111
0,31
над сушей:
0,26
0,37
Германия
0,67
Индия
0,78
Европа
4,3*103
Индия
3,7*103
над
континентами
над
морем
Черным
0,5*103
(1,85-31,5)
*103
3,7*103
океан, вдали от
берега
океан,
берега
0,037*103
0,37*103
вблизи
(2,6-6,3)
*10
3
Россия
США
Уран
(238U)
*103
3,5*103
Северная Африка
0,09
я
1¸11
США
над
Тихим
океаном
Финлянди
222Rn
Среднее
Сев.полушарие,
умеренные
широты
над
океаном
мБк/м3
1,3*10-3
Висмут
(210Bi)
0,5
Полоний (210Po)
Сев. полушарие,
умер. широты
Европа
США
Свинец
(212Pb)
0,04
Северная
Африка
8
110
0,02
Индия
105
0,35
США
(90-120)
СССР
Торий (220Th
)
0,001433,3) *103
над сушей
Из приведенной таблицы следует, что в приземном слое атмосферы
среди примордиальных радионуклидов наиболее активным является 222Rn.
Радон- радиоактивный химический элемент, который открыт Э.
Резерфордом в 1899 г. и при нормальных условиях – одноатомный газ, без
цвета и запаха, тяжелее воздуха. Его атомный номер 86. Стабильных
изотопов не имеет. Радиус нейтрального атома 0,214 нм. Расположен в
группе VIIIA периодической системы (инертные газы), замыкает 6 период.
Плотность 9,81 г/л, температура кипения -62°C, температура плавления –
71°C. Растворимость в воде 460 мл/л, в органических растворителях, в
жировой ткани человека растворимость радона выше, чем в воде [64, 65].
Радон легко адсорбируется активированным углем, с фтором образует
соединения состава RnFn, где n = 4, 6, 2. Радон входит в состав
радиоактивных рядов урана-238, урана -235 и тория-232. Ядра Rn постоянно
возникают в природе при радиоактивном распаде этих материнских ядер.
обладает периодом полураспада 3,8235 суток. При его распаде
образуется α частица и целая последовательность радионуклидов,
превращающихся один в другой с выделением α и β частиц, а также γ
излучение. Вследствие этого радионуклиды радона обусловливают более
половины всей дозы радиации, которую в среднем получает организм
человека от природных и техногенных ее источников. Если концентрация
радона в воздухе значительна, то попадание его в легкие может вызвать
онкологическое заболевание .
222Rn
ПДК радона в воздухе помещений 100 Бк/м3. Предельно допустимое
поступление Rn через органы дыхания 146 МБк/год. Его содержание в
земной коре 7·10-16 % по массе. Общее количество радона, единовременно
существующее на нашей планете, около 370 л ( при нормальных условиях).
Суммарная активность радона в земной атмосфере составляет
приблизительно 1018 Бк. Сведения о скоростях эксгаляции (выделения)
радона из различных видов земной поверхности приведены в таблице 3.
Таблица 3. Типичные скорости эксгаляции радона
Материал
поверхности
Скорость
эманирования
Материал
поверхности
Бк/м2с
Скорость
эманирования
(Бк/м2с)
Скальные
породы
2*10-4
Горные почвы
8¸21*10-3
подзолистые
почвы
4¸50*10-3
почвы пустынь
5-38*10-3
Черноземы
21-53*10-3
Тектонические
разломы
до 5,25*102
Средняя скорость эксгаляции радона из глинистых почв 1,6*10 -2 Бк/м2с.
Его активность в почвенном воздухе изменяется от 2,6*10 3 до 4,4*104 Бк/м3.
Радон и продукты его распада поступают в атмосферу из почв, растений,
природных вод, в результате эксгаляции из стен зданий, при горении
каменного угля и природного газа, а также при извержениях вулканов.
Активность радона в атмосфере испытывает вариации в зависимости от
погодных условий,
времени суток и сезона,
высоты над земной
поверхностью. При развитой конвекции активность 222Rn в приземном слое
атмосферы составляет приблизительно ~9 Бк/м3, а в устойчивой атмосфере
повышается до ~67 Бк/м3.
Активность радона в воздухе максимальна летом - осенью и
минимальна зимой - весной. В суточных изменениях активности радона
минимум приходится на послеполуденное время (12 - 15 ч.), а максимум –
после полуночи (с 0 до 6ч.) . От метеоусловий зависит активность в
приземном слое атмосферы не только
продуктов его
222Rn, но и
радиоактивного распада.
Активность радона в приземном слое атмосферы определяется его
запыленностью и тем больше, чем выше в нем средняя скорость ветра.
Участки земной поверхности, где выделения радона в атмосферу наиболее
интенсивны, называются радоновыми аномалиями. На таких участках
активность радона повышена не только в приземном слое атмосферы, но
также в почвенном воздухе.
Потоки веществ, поступающих в приземный слой атмосферы из ее
слоев, расположенных выше, образуются в облаках, а также в стратосфере,
под действием проникающего в нее из космоса ионизирующего излучения и
заряженных частиц .
В облаках формируются не только жидкие и твердые атмосферные
осадки. В их нижних частях происходит испарение слагающих их капель,
вследствие чего образуются атмосферные ядра конденсации. Эти ядра
представляют собой агрегаты, включающие микрокристаллы
соли и
концентрированные кислоты, накопившиеся в каплях за время их
пребывания в облаке. Подобные сухие атмосферные осадки способны
ощутимо влиять на микроэлементный состав приземного слоя атмосферы.
В стратосфере образуются такие компоненты этого состава, как
космогенные радионуклиды, главными среди которых являются – тритий,
бериллий и радиоуглерод. Перечисленные космогенные радионуклиды
образуются в результате взаимодействия нейтронов и протонов, входящих в
атмосферу из космоса с атомами азота и кислорода. Обобщенные сведения
об их средней активности в слое атмосферы (до 1.8 м над земной
поверхностью), согласно [http://phis.rsu.ru/web/nuclear/radioecologye/fRE7.
htm], приведены в таблице 4.
Таблица 4. Сведения об активностях космогенных радионуклидов в
приземном слое земной атмосферы
Космогенные
Радионуклид
Удельная
активность
Радионукли
д
Удельная
активность
мБк/м3
мБк/м3
Тритий
(3Н)
10
Углерод
(14С)
20.75
Берилий
(7Ве)
0.7
Натрий
(22Na)
3*10-4
Из таблицы 4 следует, что наибольшими в этом слое являются средние
значения активности радиоуглерода и трития.
Радиоактивный изотоп углерода 14C (радиоуглерод) образуется в
основном в стратосфере, на высоте 12-15 км при взаимодействии с ядрами
атмосферного азота,
вторичных нейтронов, возникающих при
бомбардировке частицами космических лучей атомов, присутствующих в
верхних слоях атмосферы [68]:
написать формулу и номер
В среднем за год, во всей атмосфере Земли образуется около 7.5 кг
радиоуглерода при общем его количестве в ней - 75 тонн.
Радиоизотоп углерода 14C
полураспада T1/2 = 5730±40 лет
подвержен
β-распаду
с
периодом
написать формулу и номер
Соотношение радиоактивного и стабильных изотопов углерода в
атмосфере и в биосфере примерно одинаково из-за активного перемешивания
атмосферы, поскольку все живые организмы постоянно участвуют в
углеродном обмене, получая углерод из окружающей среды, а изотопы, в
силу их химической неразличимости, участвуют в биохимических процессах
практически одинаковым образом.
Удельная активность углерода в живых организмах соответствует
атмосферному содержанию радиоуглерода и составляет примерно 0,3
распада в секунду на грамм углерода. С гибелью организма углеродный
обмен прекращается. После этого стабильные изотопы сохраняются, а
радиоактивный (14C) постепенно распадается, в результате его содержание в
останках постепенно уменьшается.
К числу наиболее активных космогенных радионуклидов относится
также радиоактивный изотоп водорода – тритий, обладающий периодом
полураспада 12.34 г.. В среднем за секунду в атмосфере, в расчете на 1 м2
земной поверхности, образуется 1200 его атомов. Это происходит при
захвате ядрами атомов водорода нейтронов, возникающих с участием
космического излучения в верхних слоях атмосферы. Ликвидируется тритий
при β -распаде, превращаясь в гелий. В результате этого до начала атомного
века непрерывное образование трития в атмосфере компенсировалось его
естественным распадом, а его суммарная активность оставалась практически
постоянной.
Установлено, что в тот период соотношение между количествами
атомов водорода и трития в гидросфере планеты составляло Н:Т = 1:1018, в 1
л воды в среднем содержалось 3,2·10–10 г трития, в 1 л воздуха – 1,6·10–14 г
(при абсолютной влажности 10 мг/л). Такая концентрация трития в воде
получила специальное название – «тритиевая единица» (ТЕ) [69].
В наши дни потоки радиоуглерода и трития, поступающие в
приземный слой атмосферы над многими регионами планеты, существенно
возросли, в результате образования их значительных
количеств
искусственно – в процессе проводившихся до 1980 г. термоядерных и
ядерных испытаний в атмосфере, гидросфере и космосе.
По данным ООН с 1945 г. до 1980 г. Подобных взрывов в мире
произведено 423. Их суммарная мощность 545,4 Мт. Ядерное оружие в
атмосфере испытывали на полигонах: в Маралинге (Австралия), в
Семипалатинске (СССР), в штате Невада (США), на атолле Муруроа
(французская Полинезия) и вблизи озера Лобнор (провинция Синцзянь,
Китай). Сведения о количестве испытаний ядерного оружия в атмосфере
пятью странами – участниками «ядерного клуба» приведены ниже в таблице
5.
Таблица 5. Характеристики экспериментальных ядерных взрывов,
произведенных в атмосфере с 1945 по 1980 г.г..
Страна
Период
времени,
Количество
взрывов
Суммарная
мощность, Мт
годы
США
1945-1962
193
138,2
СССР
1949-1962
142
357,5
Великобритани
1952-1962
21
16,7
Франция
1960-1974
45
11,9
КНР
1964-1980
22
20, 7
я
1963 г. США, СССР и Великобритания подписали договор о
прекращении экспериментальных ядерных и термоядерных взрывов в
атмосфере, космическом пространстве и под водой. Франция отказалась
присоединиться к этому договору и продолжала испытания ядерного оружия
в атмосфере до 1974 г., а КНР–вплоть до 1980 г.. Ныне в атмосфере такие
испытания не проводятся.
Установлено, что при ядерных взрывах в основном образуются
продукты реакции деления ядер, выход которых пропорционален мощности
взрыва. Подобные радионуклиды разносятся преимущественно в тропосфере
и удаляются из нее за несколько месяцев, в результате выпадения на земную
поверхность радиоактивных осадков и при сухом осаждении. Как правило,
период полуочищения атмосферы при этом составляет 20-40 суток. Поэтому
основной вклад в наблюдаемую ныне активность радиоуглерода и трития в
атмосфере вносят термоядерные взрывы 1963-1980 гг., проводившиеся в
КНР.
Значительная часть
этих веществ при термоядерных взрывах
достигала стратосферы и в ней разнеслась над всей планетой, достигая в том
числе и территории Украины. Ныне они образуют более половины общей
активности выпадающих здесь атмосферных осадков.
До начала ядерных и термоядерных испытаний, в атмосфере ежегодно
образовывалось 3,7*1016 Бк 3Н и 1015 Бк 14С космогенного происхождения, а в
ходе их за 1954 – 1962 гг. в нее поступило 2,4*1020 Бк 3Н, 2,2*1017 Бк 14С.
Рекомендованная литература
1.Вернадский В.И. Химическое строение биосферы Земли и ее
окружения / В.И. Вернадский. – М. : Наука, 1965. – 450 с.
2.Исидоров В.А. Экологическая химия / В.А. Исидоров– СПб. :
Химиздат, 2001. – 300 с.
3. Перельман А.И. Геохимия ландшафтов / А.И. Перельман. – М. :
Высшая школа, 1975. – 342 с.
4. Бретшнайдер Б. Охрана воздушного бассейна от загрязнений / Б.
Бретшнайдер, И. Курфюст – Л.: Химия, 1989. – 288 с.
5. Справочник нормативно-правовых актов по вопросам охраны
окружающей среды и обеспечению экологической безопасности. Н.Д.
Сорокин, Фирма "Интеграл", Санкт-Петербург, 2005. – 240с.
6. Берд Р. Явления переноса, пер. с англ.,/ Р. Берд, В. Стюарт, E.
Лайтфут// M.: Мир. - 1974. – 480с.
7. Жуковский М. В. Радон: измерение, дозы, оценка риска./ М. В.
Жуковский // Екатеринбург: ИПЭ. - 1997. – 136с.
Вопросы для самоконтроля усвоения материала.
1. Охарактеризуйте термическую конвекцию как процесс переноса
веществ в земной атмосфере.
2. Охарактеризуйте динамическую конвекцию и ее роль в переносе
веществ в земной атмосфере.
3. Охарактеризуйте гравитационное осаждение как
процесс
самоочищения атмосферного воздуха.
4. Охарактеризуйте коагуляцию как процесс самоочищения
атмосферы.
5. Охарактеризуйте ветры как процессы переноса веществ в
атмосфере.
6. Охарактеризуйте
основные
закономерности
молекулярной
диффузии.
7. Охарактеризуйте
основные
закономерности
турбулентной
диффузии.
8. Охарактеризуйте кислород как компонент постоянного состава
земной актомосферы и влияние его содержания в воздухе на
состояние окружающей природной среды.
9. Охарактеризуйте озон как компонент химического загрязнения
атмосферы, а также основные процессы его образования и
разрушения.
10.Охарактеризуйте роль фотохимических реакций в земной атмосфере
и их классификацию.
11.Охарактеризуйте аэрозоли как компонент земной атмосферы и их
современные классификации.
12.Что такое ядра Айткена (нуклеарная мода)?
13.Что такое аэрозолей Ми (конденсационная мода)?
14.Охарактеризуйте свойства частиц аэрозоля, относящихся к
гравитационной моде.
15..Почему метеорологические процессы относятся к числу важнейших
природных факторов химического и механического загрязнения
атмосферы.
16.. Что такое примордеальные радионуклиды?
17.. Какие примордеальные радионуклиды обладают наивысшей
активностью?
18.. Какие радионуклиды относят к космогенным?
19.. Какие космогенные радионуклиды обладают наивысшей
активностью?
Раздел Л6. Принципы нормирования антропогенного воздействия на
атмосферу
Источники образования
загрязнений атмосферы
Загрязнители воздуха
физические и биологические.
загрязняющих
разделяют
на
веществ
механические,
и
виды
химические,
К механическим загрязнителям относятся пыль, мусор. Они образуются
в первую очередь при сжигании органического топлива и в процессе
производства строительных материалов.
Химические загрязнители это проникшие в экосистему чуждые ей
вещества или присутствующие в ней, в концентрациях, превышающих норму.
Наибольшее загрязнение воздуха химическими загрязнителями происходит
при сжигании топлива для нужд промышленности, отоплении жилищ, работе
транспорта, сжигании и переработке бытовых и промышленных отходов.
Вследствие неполного сгорания образуются зола и вредные газы. Самыми
распространенными химическими веществами загрязняющими атмосферу
являются соединения углерода, серы и оксиды азота
Физические загрязняющие факторы – это избыточные источники
энергии, поступающие в биосферу по причине техногенных нагрузок.
Различают следующие виды физического (параметрического) загрязнения:
тепловое (поступление в атмосферу нагретых газов); световое (ухудшение
естественной освещенности местности под воздействием искусственных
источников света); шумовое (превышение допустимого уровня шумов);
электромагнитное (повышенный уровень электромагнитных полей в
результате работы радиолокационных станций (РЛС), линий электропередач,
радиопередающих станций и т.д.); радиоактивное (попадание и рассеивание
радиоактивных веществ в атмосфере).
Биологические загрязнители – чуждые экосистеме виды организмов,
которые привносятся в окружающую среду. Особенно опасным является
специальное
или
случайное
загрязнение
атмосферы
штаммами
болезнетворных
микроорганизмов,
создаваемых
в
лабораториях
вооруженных сил некоторых стран. В атмосфере, особенно во время
эпидемий, находится неисчислимое количество вирусов и бактерий.
Источники выбросов загрязняющих веществ.
Источники выбросов загрязняющих веществ разделяют на
организованные и неорганизованные, стационарные и передвижные. Кроме
того, различают холодные и горячие выбросы загрязняющих веществ.
Организованные
источники
–
источники,
выбрасывающие
загрязняющие вещества из какого либо специального оборудования
(например – трубы заводов).
Неорганизованные
источники
–
источники,
выбрасывающие
загрязняющие вещества без применения специального оборудования
(например – загрязнение атмосферы мусором в районах расположения
полигонов твердых бытовых отходов).
Стационарные источники – источники, не изменяющие координат
выбросов во времени (например – стационарная котельная).
Нестационарные (передвижные) источники – источники, изменяющие
координаты выбросов во времени (например – автомобильный или
железнодорожный транспорт).
Холодные выбросы – выбросы, температура газовоздушной смеси
которых не превышает температуры окружающго атмосферного воздуха
(например – выбросы из циклона деревообрабатывающей мастерской)
Горячие выбросы – выбросы, температура газовоздушной смеси
которых превышает температуру окружающего воздуха (например – выбросы
от сталеплавильных печей).
Принципы нормирования техногенного загрязнения воздушной
среды
Нормативы выбросов загрязняющих веществ.
Нормативы выбросов загрязняющих веществ можно условно разделить
на статистические – полученные в результате накопления и обработки
экспериментальных данных и аналитические – полученные в результате
обработки экспериментальных данных в виде аналитических зависимостей. И
первые и вторые виды нормативов относятся как к организованным так и к
неорганизованным источникам выбросов.
Рассматривая организованные источники выбросов в атмосферу
необходимо отметить, что до 70-80% общего объема выбросов приходится на
объекты теплоэнергетики и строительные предприятия. Данным объектам
присущи горячие выбросы, а предприятиям – холодные выбросы.
В качестве основного документа для расчетов рассеивания
загрязняющих веществ в атмосфере от организованных выбросов
стационарных источников используется ОНД-86. Данный документ позволяет
провести расчет рассеивания и определить концентрацию в приземном слое
атмосферы (на высоте 2 м от поверхности земли) загрязняющих веществ
выбрасываемых из организованных холодных и горячих источников. Для
неорганизованных источников выбросов применяются специальные
расчетные зависимости приведенные в и другие.
Учитывая, что большая доля от всех выбросов приходится на
организованные источники, приведем схемы расчетов, приводимые в ОНД86.
Практический расчет загрязнения атмосферы
Практический расчет прогнозных концентраций загрязняющих веществ
в атмосферном воздухе проводится
на основе решения уравнения
турбулентной диффузии, представленном в работах М.Я. Берлянда,
Е.Л.Гениховича и Р.И.Оникула, а также разработанном на основе этих работ
общесоюзном нормативном документе ОНД-86. Документ распространяется
на проектируемые, реконструируемые и действующие предприятия.
В ОНД-86 приведена методика расчета приземных концентраций
загрязняющих веществ в двухметровом слое над поверхностью земли, а также
вертикального распределения концентраций на удалениях до 100 км от
источника выбросов. Степень опасности загрязнения атмосферного воздуха
характеризуется
наибольшим
расчетным
значением
концентрации
загрязняющего вещества при неблагоприятных метеоусловиях, в том числе и
опасной скорости ветра.
В зависимости от высоты трубы H, источник относят к одному из
следующих четырех классов: высокие (H ≥ 50 м), средней высоты (H=10-50
м), низкие (H=2-10 м) и наземные (H ≤2 м).
При совместном присутствии в атмосферном воздухе одновременно
нескольких (n) веществ, обладающих в соответствии с перечнем
утвержденным министерством охраны здоровья Украины суммацией
вредного воздействия, для каждой группы загрязняющих веществ
рассчитывается безразмерная суммарная концентрация q , которая по
абсолютной величине не должна превышать единицы
q
Сm
С1
С2
,

 ...... 
ПДК1 ПДК 2
ПДК т
(1)
где С 1 , С 2 ... С m – расчетные концентрации загрязняющих веществ в
атмосферном воздухе в фиксированной точке местности, мг/м ;
3
ПДК 1 ,
ПДК 2 ,…ПДК т
–
соответствующие
максимально-разовые
предельно-допустимые концентрации загрязнителей в атмосферном воздухе,
3
мг/м .
Приведем расчетные формулы для определения загрязнения атмосферы
выбросами одиночного источника в приземном слое на высоте, не
превышающей 2 м от поверхности земли. Расчеты загрязнения выбросами
линейного источника, группы источников, расчет загрязнения атмосферы с
учетом суммации вредного действия нескольких веществ, приведены в
специальной литературе .
Горячие выбросы.
Максимальное значение приземной концентрации загрязняющих
3
веществ Сm , (мг/м ) при выбросе нагретой газовоздушной смеси из
одиночного точечного источника с круглым устьем достигается при
неблагоприятных метеоусловиях на расстоянии X m , (м) от источника и
определяется по формуле
Cm 
A  M  F  m  n 
H 2  3 V1  T
,
(2)
где A - коэффициент, зависящий от температурной стратификации
атмосферы (для Украины A =200);
– масса выбрасываемого в единицу времени одиночного
загрязнителя, г/с;
M
F–
безразмерный коэффициент, учитывающий скорость оседания
загрязнителя в атмосферном воздухе;
m и n - коэффициенты, учитывающие условия выхода газовоздушной
смеси из устья источника выброса;
–
безразмерный коэффициент, учитывающий влияние рельефа
местности (в случае ровной или слабопересеченной местности с перепадом
высот не более 50 м на 1 км  =1);
H
– высота источника выбросов, м;
Т –
разность между температурой выбрасываемой газовоздушной
0
смеси и температурой окружающего атмосферного воздуха, C ;
V1 - расход газовоздушной смеси, м /с, находят из выражения
3
V1 
  D2
4
 0 ,
(3)
где D – диаметр устья источника выброса, м;
0 – средняя скорость выхода газовоздушной смеси из устья
источника выброса, м/с.
Мощность выброса M и расход газовоздушной смеси V1 при
проектировании предприятий определяется путем расчета в технологической
части проекта или принимается по соответствующим для данного процесса
нормативам. Причем, значения M и V1 принимаются по фактическим
данным, имеющие место в течении года при установленных условиях
эксплуатации предприятия. Величину M следует относить к 20-30
минутному периоду осреднения в том числе, когда продолжительность
выброса менее 20 минут.
Расчеты приземных концентраций загрязняющих веществ, проводятся,
как правило, по тем ингредиентам, выбросы которых удовлетворяют
требованиям
Мj
ПДК j
>Ф ,
(4)
где Ф – величина, определяемая по формуле Ф  0,01 H , если Н > 10 м,
в случае если Н ≤ 10 м, то Ф = 0,1, причем Н (м) – средневзвешенная по
предприятию высота источников выбросов;
Mj–
суммарная мощность выбросов по
источников предприятия, включая
неорганизованные выбросы, г/с;
ПДК j
– то же, что в выражении (1).
j  му веществу от всех
вентиляционные
источники
и
Значение Н (м) вычисляют по формуле
_
H=
5M ( 0 10) j
Mj

15M (11 20) j
Mj

25M ( 21 30) j
Mj
 ... ,
(5)
где M j – то же, что в выражении (4), причем
M j  M ( 010) j  M (11 20) j  M ( 2130) j  ... ,
(6)
M ( 010) j , M (1120) j , M ( 2130) j – суммарные выбросы на предприятии по
j  му веществу в интервалах высот источников, соответственно до 10 м, 1120, 21-30 м и т.д.
Если все источники на предприятии являются низкими или наземными,
т.е. высота выброса не превышает 10 м, то Н принимается равной 5 м.
При определении значения Т , OC следует принимать температуру
окружающего атмосферного воздуха равной средней максимальной
температуре наружного воздуха наиболее жаркого месяца года, а температуру
выбрасываемой в атмосферу газовоздушной смеси по действующим для
данного производства технологическим нормативам.
Значение безразмерного коэффициента F принимается:
– для газообразных загрязнителей и мелкодисперсных аэрозолей (пыли,
золы, и т.п. скорость упорядоченного оседания которых равна нулю) F = 1;
– для мелкодисперсных аэрозолей, кроме вышеуказанных, при среднем
эксплуатационном коэффициенте очистки выбросов   90% , F = 2, при  =
76…90 , F = 2,5, а при   75% или отсутствии очистки , F = 3.
Безразмерные коэффициенты m и n определяются в зависимости от
параметров f , vm , v m и f e , которые рассчитываются по формулам
f  1000 
 02
H
2

D
,
T
(7)
vm  0,65  3
vm  1,3 
0
H
V1
 T ,
H
(8)
D,
(9)
f e  800  (vm ) 3 ,
(10)
где H , Т , V1 , D , 0 – то же, что в выражениях (2) и (3);
При величине f < 100, коэффициент m вычисляют из выражения
m
1
0,67  0,1  ( f )
0.5
 0.34  ( f ) 0.33
,
(11)
где f - значение параметра, рассчитанное по формуле (7).
При величине f ≥ 100, m находят из уравнения
m
1,47
,
( f ) 0.33
(12)
Для значений f e < f < 100, коэффициент m вычисляется как при f e = f.
Коэффициент n определяется в зависимости от найденного параметра
v m . При v m ≥ 2, n = 1. Если значение параметра 0,5 ≤ v м <2, то величину n
рассчитывают по формуле
n  0,532  vm  2,13 vm  3,13 ,
(13)
Если v м < 0,5 , то значение n вычисляют из выражения
n  4,4  vm .
(14)
Холодные выбросы.
При f ≥ 100 (или Т  0) и v m ≥ 0,5, расчет максимального значения
приземной концентрации загрязняющих веществ проводят по формуле
Cm 
A  M  F  n   k
,
H4/3
(15)
где A , M , F , n ,  , H – то же, что в выражении (2);
k–
параметр, который рассчитывают из выражения
k
D
1
,

8  V1 7.1  (0  V1 )0.5
(16)
где V1 , D , 0 – то же, что в выражении (3).
Предельно малые опасные скорости ветра.
При значениях f < 100 и v m < 0,5 или f ≥ 100 и v m < 0,5 расчет C m
производится по формуле
A  M  F  m  
Cm 
,
H7/3
(17)
где A , M , F ,  , H – то же, что в выражении (2);
m –
расчетный параметр.
При f < 100 и v m < 0,5, параметр m вычисляют по формуле
m  = 2,86  m ,
где m – то же, что в выражениях (11) и (12);
(18)
Если f ≥ 100 и v m < 0,5, то m = 0,9.
Расстояние
X m , (м) от источника выбросов, на котором приземная
концентрация вещества, при неблагоприятных метеорологических условиях
достигает максимального значения C m , ( мг м3 ) определяется по формуле
Xm 
5 F
d H ,
4
(19)
где F , H – то же, что в выражениях (2), (15) и (17);
d – безразмерный коэффициент.
Значение коэффициента d зависит от величин f , v m , vm . В таблице Б1.
(ПРИЛОЖЕНИЕ Б) приведены выражения для расчета указанного
коэффициента.
Для расчета опасной скорости ветра U m , (м/с) на уровне флюгера
(обычно 10 м от уровня земли) при которой достигается наибольшее значение
приземной концентрации загрязняющих веществ, используют равенства,
приведенные в таблице Б2 (ПРИЛОЖЕНИЕ Б)
Максимальные значения приземной концентрации загрязняющего
3
вещества Сmu , (мг/м ) при неблагоприятных метеорологических условиях и
скоростью
ветра
U,
отличающейся
от
опасной
Um ,
определяется
зависимостью
Cmu  r  Cm ,
(20)
где r  безразмерная величина, определяемая соотношением U U m ,
причем
если U U m  1 , то r  0,67(U U m )  1,67(U U m ) 2  1,34(U U m )3 ,
если U U m  1 , то r 
3(U U m )
.
2(U U m ) 2  (U U m )  2
Сm – то же, что в выражении (2).
Расстояние от источника выброса X mu , (м) на котором при скорости
ветра U и неблагоприятных метеорологических условиях, приземная
концентрация загрязняющих веществ достигает максимального значения Cmu ,
(мг/м ) вычисляется по формуле
3
X mu  p  X m ,
(21)
где p – безразмерный коэффициент, определяемый в зависимости от
отношения U U m причем,
если U U m  0,25 , то p  3 ,
если 0,25 < U U m  1 , то p  8,43  (1  U U m )5  1 ,
если U U m >1 , то p  0,32 U U m  0,68 ;
X m – то же, что в выражении (19).
При опасной скорости ветра приземная (не максимальная)
3
концентрация загрязняющих веществ Cx , (мг/м ), в атмосфере на различных
расстояниях X по оси факела выброса определяется по формуле
Cx  S1  Cm ,
где S1 – безразмерный коэффициент;
(22)
Сm – то же, что в выражении (2).
Коэффициент S1 , зависит от отношения X X m (где X – расстояние от
источника выброса до заданной точки по оси факела, м), и коэффициента F .
Выражения для расчета S1 приведены в таблице Б3 (ПРИЛОЖЕНИЕ Б).
Значение приземной концентрации загрязняющих веществ в атмосфере
на расстоянии Y , (м) по перпендикуляру к оси факела выброса (ось Х)
вычисляется по формуле
С y  S2  Cx ,
(23)
где S 2 – безразмерный коэффициент;
C x – то же, что в выражении (22).
Безразмерный коэффициент S 2 находится из уравнения
S2 
1
,
(1  5  t y  12,8  t  17  t 3y  45,1  t y4 ) 2
2
y
(24)
где t y – величина, определяемая в зависимости от скорости ветра U , м/с,
и конкретных координат X и Y , заданной точки, причем если U  5 , то
5Y 2
U Y 2
, а если U >5 , то t y  2 .
ty 
X2
X
Решение обратных задач по определению мощности выброса M и
высоты H , соответствующих заданному уровню максимальной приземной
концентрации при прочих фиксированных параметрах выбросов проводится
следующим образом.
Мощность выброса M , (г/с) при соответствующем
3
максимальной концентрации Сm , (мг/м ) определяется по формуле
M 
Cm  H 2
 3 V1  T ,
A  F  m  n 
значении
(25)
где A , F , m , n ,  , H , Т – то же, что в выражении (2);
V1 – то же, что в равенстве (3).
В случае, если f  100 или T  0 (холодные выбросы) мощность
выброса M , (г/с) вычисляется по формуле
Cm  H 1,33 8V1
,
M

A  F  n  D
(26)
где Сm , H , A , F , m ,  – то же, что в формуле (2);
V1 , D – то же, что в равенстве (3).
Для расчета высоты источника выбросов H , м, которая будет
соответствовать заданному значению Сm , если T  0 , используют выражение
H (
A  M  F  D   0.75
) ,
8V1  Cm
(27)
где Сm , A , M , F ,  , V1 , D – то же, что в формуле (26).
Влияние рельефа местности на значение максимальной приземной
концентрации Сm учитывается безразмерным коэффициентом  . Значение
коэффициента устанавливается на основе картографического материала,
освещающего рельеф местности в радиусе до 50 высот наиболее высокого из
размещаемых на площадке источников, но не менее 2 км.
Сm
При наличии N источников выбросов, общая приземная концентрация
в любой точке местности определяется как сумма концентраций от
отдельных источников по данному веществу (при заданных направлении и
скорости ветра).
Разработка нормативов предельно допустимых и временно
согласованных выбросов загрязняющих веществ.
Предельно допустимый выброс (ПДВ) загрязняющих веществ в
атмосферу от стационарных источников устанавливается для каждого
источника загрязнения таким образом, чтобы выбросы загрязнителя от
данного источника и совокупности источников города с учетом рассеивания в
атмосфере не создавали приземную концентрацию, превышающую предельно
допустимую концентрацию (ПДК) для населения.
Значения ПДВ устанавливаются как для строящихся, так и для
действующих
предприятий.
Предельно
допустимые
выбросы
устанавливаются для условий полной нагрузки технологического и
газоочистного оборудования и их нормальной работы. ПДВ не должны
превышаться в любой двадцатиминутный период времени.
Предельно допустимый выброс устанавливается для каждого источника
не являющимся мелким. Неорганизованные выбросы всего предприятия или
отдельных участков его промышленной площадки сводятся к площадным
источникам или к совокупности условных точечных источников.
Наряду с ПДВ для одиночных источников устанавливаются предельно
допустимые выбросы для предприятия в целом, причем при постоянстве
выбросов они находятся как сумма ПДВ от одиночных источников и групп
мелких источников.
При непостоянстве во времени выбросов от отдельных источников
предельно допустимые выбросы предприятия меньше суммы ПДВ от
отдельных источников и соответствует максимально возможному
суммарному выбросу от всех источников предприятия (при нормальной
работе технологического и газоочистного оборудования).
ПДВ определяется для каждого вещества отдельно, в том числе и в
случае учета вредного действия нескольких веществ. При установлении
предельно допустимых выбросов учитываются фоновые концентрации Сф. .
Для действующих производств величина Сф. заменяется на Сф/ , которая
представляет собой фоновую концентрацию Сф. , из которой исключен вклад
рассматриваемого источника (предприятия).
Сф/ определяется следующими соотношениями
Сф/  Cф  (1  0,4 
Значение
C
) , при С < 2Сф ,
Cф
Сф/  0,2  Cф , при С > 2 Сф ,
концентрации
(28)
(29)
где С – максимальная расчетная концентрация вещества от данного
источника (предприятия) для точки размещения поста, на котором
устанавливается фон, при значении параметров выброса, относящихся к
периоду времени, по данным наблюдений за который, определялась фоновая
концентрация Сф. , мг / м3 .
Для вновь строящегося предприятия
Сф/ = Сф ,
(30)
Значение ПДВ для одиночного источника с круглым устьем (при
С ф <ПДК) определяется по формуле
ПДВ 
( ПДК  Сф )  Н 2
  F  n 
 3 V1 T ,
(31)
где A , F , n ,  , H , Т , – то же, что в выражении (2);
V1 – то же, что в равенстве (3);
ПДК – значение предельно допустимой
рассматриваемого загрязняющего вещества, мг / м3 ;
Сф . –
фоновая
концентрация
концентрации
рассматриваемого
для
загрязняющего
вещества, мг / м3 .
В случае если f ≥ 100 или Т  0 (холодные выбросы) величина ПДВ
определяется как
ПДВ 
( ПДК  Сф )  Н 4 3
  F  n 

8V1
,
D
(32)
В выражении (32) использованы те же обозначения, что и в формуле
(31), D – то же, что в равенстве (3).
Для действующих предприятий, если в выбросе города или других
населенных пунктов концентрации загрязняющих веществ превышают ПДК,
а значения ПДВ не могут быть достигнуты, по согласованию с
компетентными органами предусматривается поэтапное снижение выбросов
загрязняющих веществ (до значений ПДВ, обеспечивающих достижение
ПДК, или до полного прекращения выбросов).
На каждом этапе до обеспечения значений ПДВ устанавливаются
временно согласованные выбросы ВСВ. При установлении ВСВ следует
пользоваться теми же приемами расчета, что и при установлении ПДВ.
Предельные допустимые концентрации загрязняющих веществ
В качестве основных критериев опасности загрязнения атмосферы
обычно используются предельно допустимые концентрации (ПДК)
загрязняющих веществ или соответствующие им (в ряде стран) стандарты
качества воздуха. В качестве основного показателя опасности загрязнения
воздуха принимается весовая концентрация веществ. Данный показатель
применим также для пылей и аэрозолей. Однако в отдельных случаях в
качестве показателя загрязнения может играть роль и дисперсность. В
Украине и многих других странах для оценки степени кратковременного
воздействия примеси на организм человека применяются максимально
разовые ПДК, относимые к 20-30 минутному интервалу времени. Согласно
действующим положениям для некоторых ингредиентов (обладающих так
называемым эффектом суммации) необходимо суммировать их вредное
воздействие на организм человека, то есть при наличии n ингредиентов с
концентрациями Ci и предельно-допустимыми концентрациями ПДКi 
требуется, чтобы выполнялось следующее условие
n

( Ci / ПДКi ) < 1.
(33)
i 1
В частности суммируется действие сернистого газа с двуокисью азота,
фтористым водородом или аэрозолем серной кислоты и т.д..
Следует заметить, что величина ПДК обратно пропорциональна в
общем случае классу опасности загрязняющего вещества.
Вредные воздействия газообразных и пылевых выбросов на человека
зависят как от количества загрязняющих веществ поступающих в организм,
так и от их концентрации. Воздействие атмосферных загрязнений на человека
можно варьировать от пренебрежимо малого раздражения до местного или
общего разрушения определенных органов и наконец полной интоксикации
организма. При кратковременном воздействии можно выделить
концентрацию каждого вещества в воздухе, которую организм человека
воспринимает без неблагоприятной реакций. Вследствии больших различий в
токсичности загрязняющих веществ промышленных выбросов указанные
концентрации различают для каждого вещества. При превышении
определенной концентрации организм реагирует на раздражение посредством
процессов сопротивляемости и адаптации. Дальнейшее повышение
концентраций загрязнения и достижение их характеристических величин
приводит к потере способности к адаптации и усилению воздействия
токсического вещества. На основании сведений об отдельных вредных
компонентах промышленных выбросов установлены предельно допустимые
концентрации важнейших токсических веществ в воздухе. Значение ПДК
загрязнений определяют для кратковременного прямого воздействия (среднее
значение в интервале - 30 минут) и более длительного воздействия (средняя
концентрация за сутки). Еще в СССР были установлены два вида предельно
допустимых концентраций - максимально разовая (ПДКм.р.) и
среднесуточная (ПДК с.с.) ПДК м.р. – эта концентрация не должна вызывать
рефлекторных реакций в организме человека. ПДК с.с. – эта концентрация
вредного вещества не должна оказывать на человека прямого ли косвенного
воздействия в условиях неопределенно долгого круглосуточного вдыхания.
Величины ПДК приведены для каждого вида производства отдельно в
разделах.
Санитарно-защитная зона
Промышленные, сельскохозяйственные и другие объекты, которые
являются источниками загрязнения окружающей среды химическими,
физическими и биологическими факторами, при невозможности создания
безотходных
технологий должны отделяться от жилищной застройки
санитарно-защитными зонами.
Санитарно-защитную зону следует устанавливать от источников
загрязнения к границе жилищной застройки, участков общественных
учреждений, домов и сооружений, в том числе детских, учебных, лечебнопрофилактических учреждений, заведений социального обеспечения,
спортивных сооружений и др., а также территорий парков, садов, скверов и
других объектов зеленого строительства общего пользования, участков
оздоровительных и физкультурно-спортивных учреждений, мест отдыха,
обществ садовников и других, приравненных к ним объектов, в том числе:
– для предприятий с технологическими процессами, которые являются
источниками загрязнения атмосферного воздуха вредными, с неприятным
запахом химическими веществами и биологическими факторами,
непосредственно от источников загрязнения атмосферы организованными
выбросами (через трубы, шахты) или неорганизованными выбросами (через
фонари зданий, дымящие и парящие поверхности технологических установок
и других сооружений ), а также от мест разгрузки сырья, промпродуктов или
открытых составов;
– для предприятий с технологическими процессами, которые являются
источниками шума, ультразвука, вибрации, статического электричества,
электромагнитных ионизирующих излучений и других вредных факторов;
– для тепловых электростанций, промышленных и отопительных котельных от труб, мест хранения и подготовки топлива, источников шума;
– для санитарно-технических сооружений и установок коммунального
назначения, а также сельскохозяйственных предприятий и объектов - от
границы объекта.
На внешней границе санитарно-защитной зоны, обращенной к
жилищной застройке, концентрации и уровни вредных факторов не должны
превышать их гигиенические нормативы (ПДК), а на границе курортнорекреационной зоны - 0,8 от значения норматива.
Размеры санитарно-защтных зон для промышленных предприятий и
других объектов, которые являются источниками производственных
загрязнений, следует устанавливать в соответствии с действующими
санитарными нормами их размещения при подтверждении достаточности
размеров этих зон согласно "Методике расчета концентраций в атмосферном
воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий" ОНД-86,
расчетами уровней шума и электромагнитных излучений с учетом реальной
санитарной ситуации (фонового загрязнения, особенностей рельефа,
метеоусловий, розы ветров и др.), а также данных лабораторных
исследований относительно аналогичных действующих предприятий и
объектов.
В тех случаях, когда расчетами не подтверждается размер нормативной
санитарно-защитной зоны или невозможна ее организация в конкретных
условиях, необходимо принимать решение об изменении технологии
производства, что предусматривает снижение выбросов вредных веществ в
атмосферу, его перепрофилирование или закрытие.
Размеры санитарно-защитной зоны могут быть уменьшены, когда в
результате расчетов и лабораторных исследований, проведенных для района
расположения предприятия или другого производственного объекта, будет
установлено, что на границе жилищной застройки и приравненных к ней
объектов концентрации загрязняющих веществ в атмосферном воздухе,
уровни шума, вибрации, ультразвука, электромагнитных и ионизирующих
излучений, статического электричества не будут превышать гигиенические
нормативы.
В санитарно-защитных зонах нельзя допускать размещение:
– жилых домов с придомовыми территориями, общежитий, гостиниц, домов
для приезжих, аварийных поселков;
– детских дошкольных заведений, общеобразовательных школ, лечебнопрофилактических и оздоровительных учреждений общего и специального
назначения со стационарами, наркологических диспансеров;
– спортивных сооружений, садов, парков, обществ садовников;
– охранительных зон источников водоснабжения, водозаборных сооружений
и сооружений водопроводной распределительной сети.
Рекомендованная литература
11.Методика расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных
веществ, содержащихся в выбросах предприятий ОНД-86
Госкомгидромет 1986
12.Методические
указания
по
определению
дальности
распространениия пыли с отвалов Всесоюзный научноисследовательский институт безопасности труда в горнорудной
промышленности Кривой Рог 1984 с.31
13. Берлянд М.Е. Прогноз и регулирование загрязнения атмосферы
/ М.Е.Берлянд. – Л. : Гидрометеоиздат, 1985. – 272 с.
14. Берлянд М.Е. Моделирование загрязнения атмосферы от низких
и холодных источников / М.Е.Берлянд Е.Л.Генихович
Р.И.Оникул // Метеорология и гидрология. – СПб, 1990 – Вып.5.
– С.5-16
15. Бретшнайдер Б. Охрана воздушного бассейна от загрязнений /
Б.Бретшнайдер, И.Курфюст – Л.: Химия, 1989. – 288 с.
Вопросы для самоконтроля усвоения материала
1. Какие бывают загрязнители воздуха?
2. Что относится к механическим загрязнителям?
3. Что является химическими загрязнителями?
4. Что понимают под физическими загрязняющими факторами?
5. Что понимают под биологическими загрязняющими факторами?
6. Охарактеризуйте классификацию источников выбросов.
7. Что такое организованный источник выбросов?
8. Что такое неорганизованный источник выбросов?
9. Что такое стационарный источник выбросов?
10. Что такое мобильный источник выбросов?
С6. Аэрозоли
Аэрозоли являются одним из постоянно присутствующих в атмосфере
ее компонентов. Они представляют собой двухфазные среды, в которых
диспергирующая среда – воздух, а дисперсная среда – твердые или жидкие
частицы радиусом более 10-9м.[2, 63, 89] .
Многие частицы аэрозоля, состоят из веществ, растворимых в воде или
гигроскопичных. В тропосфере они являются атмосферными ядрами
конденсации и потому участвуют в образовании облаков, туманов, а также
атмосферных осадков. Благодаря способности поглощать и рассеивать
солнечный свет, частицы аэрозоля способны существенно влиять на альбедо
атмосферы и климат планеты .
В результате адгезии в частицы аэрозоля из окружающей среды
непрерывно поступают молекулы содержащихся в ней газов. При
молекулярно-кинетической и турбулентной коагуляции к более крупным
частицам присоединяются более мелкие. Оба процесса приводят к
накоплению в частицах аэрозоля веществ, содержащихся в окружающей
среде. Это накопление происходит наиболее активно на частицах аэрозоля,
обладающих водяными оболочками .
В частицах аэрозоля непрерывно протекают фотостимулированные и
темновые химические реакции с участием содержащихся в них веществ,
вследствие чего могут возникать их продукты, обладающие существенно
более высокой токсичностью либо химической активностью .
При прохождении дождевых капель сквозь слой аэрозоля происходит
их гравитационная коагуляция с образующими его частицами, что приводит
к их вымыванию из атмосферы, а также поступлению содержащихся в них
веществ в почвы и водоемы. При этом механическое загрязнение атмосферы
уменьшается,
усиливается .
а
химическое
загрязнение
подстилающей
поверхности
Проникновение частиц аэрозоля в дыхательные пути и легкие способно
вызывать их механическое раздражение. Если подобные частицы содержат
вещества, способные проникать в кровь, вдыхание содержащего их воздуха
может наносить ущерб многим системам и органам. Не менее опасно
присутствие в таком воздухе болезнетворных микроорганизмов. Поэтому
частицы аэрозоля, присутствующие в приземном слое атмосферы могут
наносить существенный вред здоровью человека.
Тем не менее, аэрозоли находят все более широкое применение в
технике. Причиной этого является наличие у них ряда свойств, делающих их
незаменимыми во многих производственных процессах. Важнейшим из них
является
увеличение
химической
активности
любых
веществ,
присутствующих
в аэрозоле, тем более ощутимое, чем выше его
дисперсность. Обусловлен этот эффект увеличением суммарной площади
поверхности частиц аэрозоля по мере уменьшения их диаметров (при
условии, что их суммарные объем и масса остаются неизменными).
Последнее увеличивает реакционные потоки молекул, участвующих в
реакциях, протекающих на поверхностях таких частиц, что, при прочих
равных условиях, влечет за собой увеличение их выхода. Очевидно, что по
той же причине, с увеличением дисперсности аэрозоля возрастает также
пожаро- и взрывоопасность любых содержащихся в нем веществ. Это не
только опасно, но и полезно, позволяя существенно повысить скорость
реагирования с кислородом топлива в камерах сгорания двигателей, которое
специально подают в них в форме аэрозолей.
Способность некоторых веществ, присутствующих в воздухе в форме
аэрозоля, активно потреблять из него кислород, используется также при
тушении пожаров.
Механическое загрязнения атмосферы образуют лишь те аэрозоли,
содержание которых в воздухе приводит к существенному ухудшению
состояния здоровья населения или природных экосистем.
Содержание в воздухе частиц аэрозоля в последние десятилетия
неуклонно возрастает, что делает проблему защиты атмосферы от
загрязнения ими весьма актуальной.
Среди аэрозолей, присутствующих в приземном слое воздуха городов и
промышленных предприятий, наиболее распространены техногенные,
терригенные, биологические и пожарные. При этом наиболее существенный
и всевозрастающий вклад в его механическое загрязнение вносят
техногенные источники . Подобные источники выбрасывают в атмосферу
Земли ежегодно
около 11 км3 пылевидных частиц. В отличие от
большинства прочих источников, техногенные, сосредоточены на
сравнительно небольших территориях и действуют непрерывно, вследствие
чего наносимый ими ущерб более значителен.
Основные источники техногенных аэрозолей могут быть объединены в
три группы.
К первой группе относятся источники, которые образуют частицы
аэрозоля в результате сжигания топлива (сажа и продукты неполного
сгорания топлива). К ним относятся двигатели внутреннего сгорания
транспорта, предприятия тепловой энергетики, металлургии и др..
Источники техногенных аэрозолей, относящиеся ко второй группе, это
узлы различных видов транспорта, и технологические процессы на
промышленных предприятиях, выбрасывающие в воздух частицы,
возникновение которых не связано со сжиганием топлива. В составе таких
частиц преобладают окислы металлов SiO2, Аl2О3, СаО, К2О, Na2O, PbO, ZnO,
SeO2, As2O3, MgO, Fe2O3.
Третья группа источников техногенных аэрозолей связана с
процессами утилизации бытовых и промышленных отходов. В эту группу
входят зоны захоронения отходов и различные мусоросжигающие установки.
От последних в атмосферу поступает наибольшее в этой группе количество
пыли и других загрязняющих веществ. Как видим, на одних и тех же
предприятиях могут находиться источники, относящиеся к разным группам.
Многие техногенные источники создают аэрозоли комбинированные
(относящиеся одновременно к нескольким группам). Так, например, при
работе автомобильного транспорта в атмосферу поступают как частицы
аэрозоля, обусловленные сжиганием топлива в двигателях внутреннего
сгорания (первая группа), так и возникающие при трении покрышек о
дорожное покрытие (вторая группа). Поэтому среди них присутствуют
частицы сажи, почвы, цемент, резиновая пыль от автопокрышек, имеющие
размеры от 20 до 500 мкм, содержащие многие вещества, такие как весьма
токсичные соединения свинца и смолы. Наибольшее их содержание в
воздухе на перекрестках, а также у автозаправочных станций (где
автомобили вынуждены тормозить и разгоняться). В крупных городах за
сутки в атмосферу поступает свыше 50 т только одной пыли от износа
автопокрышек.
Большое количество частиц техногенных аэрозолей образуется также
на промышленных предприятиях, в ходе осуществляемых на них
технологических процессов. Сведения о некоторых из этих процессов
приведены в таблице 1.
Таблица 1. Суммарные (мировые) выбросы в атмосферу пыли
различными производственными процессами.
Производство
Сжигание каменного угля
Выплавка чугуна
Выплавка меди
Выплавка цинка
Выплавка
олова
(без
очистки)
Выплавка свинца
Производство цемента
Выброс пыли (млн.т/год)
93.60
20.21
6.23
0.18
0.004
0.13
53.37
Из таблицы 1 следует, что источники, формирующие основную часть
потока частиц техногенных аэрозолей, относятся к первой группе. Среди них
одними из основных техногенных источников являются ТЭС, которые
потребляют уголь высокой зольности, обогатительные фабрики,
металлургические, цементные, магнезитовые и сажевые заводы. Пылевые
частицы от этих источников отличаются большим разнообразием
химического состава.
К числу существенных техногенных источников аэрозолей второй
группы в городах относятся стройплощадки, карьеры и промышленные
отвалы - искусственные насыпи из переотложенного материала,
преимущественно вскрышных пород, образуемых при добыче полезных
ископаемых или же из отходов предприятий перерабатывающей
промышленности, а также ТЭС. В портах это терминалы для обработки
сыпучих грузов.
Много пылевых частиц поступает в приземный слой атмосферы в
карьерах, во время производства взрывных работ. Так, в результате одного
среднего по массе взрыва (1250-300 тонн взрывчатых веществ) в атмосферу
выбрасывается более 1150 т. пыли.
Производство цемента и других строительных материалов также
является техногенным источником загрязнения атмосферы пылью,
относящимся ко второй группе. Основные технологические процессы этих
производств - измельчение и химическая обработка шихт, полуфабрикатов и
получаемых продуктов в потоках горячих газов всегда сопровождается
выбросами пыли и других вредных веществ в атмосферу.
Значительное количество техногенных аэрозолей образуется при
сжигании мусора (источники третьей группы). В зависимости от типа
мусоросжигающих установок их выход колеблется от 2 до 14 кг/т. При этом
в атмосферу выбрасываются и большие объемы паров, из которых
образуются различные аэрозоли с жидкой дисперсной фазой, в том числе и
многие кислоты. Еще большее разнообразие свойственно образующейся в
ходе этого процесса органической пыли, в состав которой входят
алифатические и ароматические углеводороды, соли кислот .
Значительную часть техногенных аэрозолей составляют т.н. вторичные
аэрозоли, образующиеся в воздухе при взаимодействии с водяным паром и
другими компонентами атмосферы газообразных веществ от техногенных
источников ее загрязнения. Примером такого аэрозоля может служить серная
и азотная кислота.
Наиболее велики выбросы частиц техногенных аэрозолей в крупных
городах, вследствие чего значительны их содержания в приземных слоях их
воздуха . В частности, воздух в Лондоне содержит не менее 20 000 частиц
пыли в 1 см3. В Украине сильней всего запылен воздух таких городов как
Днепропетровск, Днепродзержинск, Донецк, Луганск, где в 1 см 3 содержатся
десятки, а иногда и сотни тысяч пылинок. В городах Санкт Петербург и
Харьков за год на 1 км2 их территории осаждается от 150 до 700 т. пыли.
При этом в них воздух у земной поверхности содержит от 20 000 до 200 000
тыс. пылевых частиц на 1 см3 .
Над такими городами воздух, загрязненный аэрозолями, образует
белесые купола мглы, которые при возникновении смоговых ситуаций
окрашены в тона синевато серого цвета. Если в атмосфере имеются
температурные инверсии, подобные купола имеют четко выраженную
верхнюю границу. За пределами городов запыленность воздуха снижается.
Чистый воздух леса содержит до 10 пылинок в 1 см3.
Наиболее яркой отличительной чертой аэрозолей над городами
является высокое содержание (более 50%) в них частиц сажи, поступающих
из источников первой группы. Входящий в их состав углерод является
прекрасным сорбентом, а также входит в состав органических соединений,
участвующих в образовании смога. К ним относятся например
ароматические и нефтяные углеводороды [5]. В крупнейших мегаполисах
планеты Мехико, Токио, Нью Йорке, Москве концентрация органического
углерода в аэрозолях достигает 22-25 мкг/дм3 . Максимальные количества –
до 70 мкг/дм3 наблюдаются в Анкаре (Турция).
На многих участках территории, расположенных на расстоянии до 30 м
от полотна автомобильной дороги в почвах, как правило, выявляются
контрастные аномалии Рb и Zn, с концентрациями, в единицы - десятки раз
превышающими фоновые уровни. Так, в Ростове-на-Дону концентрации для
Рb в среднем в 4...5 раз выше, чем фоновые в ландшафте за пределами
города, а для Zn – 4...8 раз. При этом максимальные концентрации обоих
металлов в почвах вблизи городских автомагистралей в десятки раз выше
фона в удалении от дорог. Для Рb они достигают 30·10 -3%, а для Zn – 60·103
%. В почвах у автомагистралей также повышены содержания Мn, Сu, Ва .
В особо больших количествах многие тяжелые металлы накапливаются
в почвах и растениях вдоль железных дорог, на удалениях от них до 250м.
Вследствие эффекта биоконцентрирования, в листьях деревьев,
произрастающих в пределах подобных аномалий, концентрация токсичных
металлов еще выше, чем в почвах.
Весьма загрязнены металлами частицы аэрозолей, образующихся на
ТЭЦ и угольных терминалах. В их составе преобладают SiO2, Fe2O3 и Al2O3,
CaO, MgO, Na2O, K2O, ТiO2, кроме них в повышенных концентрациях
находятся многие тяжелые металлы. ТЭЦ, сжигающая около 500 т донецкого
угля в сутки, ежегодно выбрасывает непосредственно в атмосферу около 20 т
As.
Концентрации частиц техногенных аэрозолей в приземном слое
воздуха городов в выходные дни на 30% ниже, чем в рабочие. Сильней
запылен этот слой днем в часы пик, чем в предутренние часы. В загородной
зоне суточный ход содержания пыли в воздухе выражен незначительно.
Содержание в воздухе частиц техногенных аэрозолей в городах
увеличивается осенью и в начале зимы. После дождей и снегопадов воздух
от них освобождается. Летом чаще наблюдаются сильные конвективные
потоки воздуха, уносящие пылевые частицы в верхние слои атмосферы.
Поэтому запыленность нижних слоев атмосферы невелика.
Чем меньше показатель урбанизации территории, тем менее запылен
над ней воздух. Поэтому меньше пыли в горных регионах.
При попадании в организм человека частицы техногенных аэрозолей
могут вызвать, либо усилить некоторые заболевания. Основной канал их
поступления в организм – респираторный (через органы дыхания).
Пылинки различного диаметра по-разному задерживаются в
дыхательных путях. Степень задержки пылевых частиц различного
гранулометрического состава показана в таблице 2.
Как видим из этой таблицы, в дыхательных путях человека легче всего
оседают самые крупные пылевые частицы, при этом при дыхании носом
задержка пыли интенсивнее. На протяжение
жизни человека его
дыхательные пути выделяют из воздуха от 5 до 40 кг пылевых частиц .
Пылинки диаметром менее 0.5 мкм проникают сквозь дыхательные пути
беспрепятственно. Частицы аэрозоля, прошедшие сквозь дыхательные пути,
проникают в легкие, поражая их.
Таблица 2. Степень задержки в дыхательных путях человека
аэрозольных частиц различного гранулометрического состава.
Род пыли
Частиц
диаметром
до 1 мкм
(%)
Частиц
диаметром
от 1 до 3
мкм
Частиц
диаметром
более 3
мкм (%)
Дыхание
носом
Дыхание
ртом
(%)
(%)
(%)
Комнатная
86.7
13.2
0.1
17.0
-
Кварцевая
39.5
58.3
2.2
35.7
23.4
Угольная
60.1
37
2.9
43.2
26.6
Табачная
48.9
44.4
6.9
47.1
37.8
Пыль, осевшая в легких, выводится из них при кашле, с мокротой, а
также частично уносится лимфой и кровью. При длительном вдыхании
сильно запыленного воздуха у человека развивается профессиональное
заболевание пневмокониоз.
Попадая в легкие, пыль оказывает на них механическое и химическое
действие. При этом в легких возникают склеротические изменения,
развиваются бронхиты, эмфиземы легких, бронхоэктатическая болезнь,
нарушаются функции дыхания и кровообращения. Возникают и иные
последствия, зависящие от состава вдыхаемой пыли. Наиболее токсична
пыль, содержащая радионуклиды, соединения свинца, цинка, меди, кадмия.
При длительном вдыхании пыли содержащей частицы кварца,
песчанника, гравия, слюды развивается разновидность пневмокониоза,
называемая силикоз.
При вдыхании силикатной пыли (асбеста, талька, каолина, нефелина и
др.) у человека развивается еще одна разновидность пневмокониоза силикатоз.
Человек, длительное время вдыхающий угольную пыль, заболевает
антракозом, алюминиевую пыль- алюминозом, апатитовой пыли – апатитоз.
Чаще всего эти заболевания встречаются у работников таких отраслей
как горнодобывающая, стройматериалов, металлургическая.
Все эти болезни развиваются как хронические. Скорость их развития
тем больше, чем больше концентрация пыли во вдыхаемом воздухе. Как
правило, болезнь развивается через 10-12 лет после начала вдыхания той или
иной пыли.
Еще одной разновидностью пыли, негативно действующей на здоровье
человека, является сажа. Сажа (углерод) образуется при неполном сгорании
углеводородного топлива . Опасней всего ее воздействие на человека при
попадании в органы дыхания.
Сажа вызывает негативные изменения в системе дыхательных органов.
Сажа – обладает способностью адсорбировать тяжелые ароматические
углеводороды, в том числе такие как бенз(а)пирен. При попадании в легкие
она задерживаются в них. При этом загрязненные бенз(а)пиреном частицы
сажи начинают оказывать поражающее действие на части легочной ткани, с
которыми они непосредственно контактируют. Это действие может вызвать
рак легких.
Источники
образования
загрязняющих
формировании и сдувании пыли с отвалов
веществ
при
Отвалы горнорудных предприятий и складов по перевалке песка и
других сыпучих грузов являются интесивиым источником пыли. Они
являются интенсивными площадными стационарными неорганизованными
ее источниками. Частицы горных пород поступают в атмосферу в процессе
образовання отвалов и при ветровой дефляции. Эти частицы, выделяющаяся
с отвалов, за счет горизонталького рассеивания может распространяться на
значительные расстояния, загрязняя близлежащие населенные пункты,
сельскохозяйственные угодья и водоемы.
Виды загрязняющих веществ, образующихся на отвалах
Пыль, образующаяся в зоне отвалов, характеризуется весьма
разнообразными гранулометрическим и вещественным составами, которые
существенно зависят от видов образующих отвалы горных пород и способа
отвалообразования.
Нормативы выбросов загрязняющих веществ.
Определить дальность распространения пыли с отвалов и рассчитать
запыленность воздуха на различных расстояниях от них по существующим
методикам расчета рассеивания примесей в приземном слое атмосферы
весьма проблематично, так как они в основном разработаны для точечных
источников[].
Известно, что дальность распространения частиц пыли некоторых
размеров и массы от их источников, а также их концентрация в воздухе, при
прочих равных условиях зависит от интенсивности пылевыделения. Поэтому
и для отвалов прежде всего, необходимо определить эту характеристику.
Для расчета запыленности воздуха вдоль оси факела на различных
расстояниях от отвалов и размера зон за отвалами, с заданными ее
значениями, можно использовать эмпирические зависимости, полученные в
результате математической обработки результатов промышленных
исследований
Всесоюзного
научно-исследовательского
института
безопасности труда в горнорудной промышленности (ВНИИБТГ) г.Кривой
Рог [150]. Зависимости справедливы для минимальной естественной
влажности пород.
В связи с тем, что пылевыделенне на отвалах происходит при
складирования пород и при ветровой эрозии их поверхности, необходимо
раздельно рассчитывать запыленность, создаваемую при этих двух
процессах.
Расчет запыленности, создаваемой на терминале сыпучих грузов
При обработке на терминале сыпучих грузов угля, цемента,
фосфоритов, бокситов, руд, песка , суммарная концентрация пылевых частиц
3
в воздухе, вдоль оси факела, на различных расстояниях от отвалов, мг/м ,
рассчитывается по формуле:
c  qi  exp (0.006  H  7.01)  (0.0036  H  2.7)  lg L
(1)
где q – интенсивность пылевыделения , мг/с;
– высота расположения источника пылевыделения над земной
поверхностью, м;
H
– расстояние в плане от источника пылевыделения до точки пылевых
замеров, м.
L
Интенсивность пылевыделения
рассчитывается по формуле
qi 
при
обработке
1 2
 l  2  c  vi
k
подобны
грузов
(2)
где k – экспериментальный коэффициент для условий отвалов,
зависящий от расположения точки выделения примесей относительно
поверхности отвала. Для источников, выделяющих пыль на высоте h
(экскаваторов, конвейерных отвалообразователей) k  5.6 ; для наземных
ИСТОЧНИКОВ пылевыделения (бульдозеров, автосамосвалов) k  3,0 ;
l – расстояние от отвальной машины до точки пылевых замеров на
отвале, м;
 – безразмерный параметр, характеризующая турбулентность потока
у источника и равняется
  0,045  v  0.22
(3)
где v - скорость воздушного потока, м/с.
с – концентрация пыли в воздухе на расстоянии l от источника
пылевыделения, мг/м3;
Как видно из формулы (1), для расчета интенсивности пылевыделения
на терминале необходимо осуществить замеры запыленности воздуха на
расстоянии l от него, а также измерять скорость ветра.
Для источников, Выделяющих пыль на высоте (экскаваторы,
отвалообразователи), расстояние l должно быть не менее четырех высот их
разгрузки, а для наземных источников (думпкары, автосамосвалы,
бульдозеры) не ближе I5-20 м.
Значение интенсивности пылевыделения при заданной скорости ветра v
(м/с) может определяться также по эмпирическим формулам:
Для экскаватора с объемом ковша 8 м
3
q1  174,12  v1.702
(4)
Для экскаватора с объемом ковша до 20 м :
3
q2  1800.9  v0.912
(5)
Из формул (5,65) и (5.66) следует, что размер зон за отвалами с
заданными значениями запыленности воздуха будет составлять, м:
Для машин циклического действия
c

 (0.006  H  7.01)  ln q 
L  exp 

 (0.0036  H  2.7) 


(6)
Для машин непрерывного действия
L  125.3  ln
c
90.017  105  q
(7)
Расчет запыленности, создаваемой пылящими площадями
При сдувании ветром имеющим постоянную скорость пыли с
поверхности сформированных отвалов концентрация загрязняющих веществ
3
на различных расстояниях от отвалов определяется по формуле, мг/м

c  1.42 105  qоТ  exp  6.93 103  ( L  1.91 H )

(8)
где qоТ – интенсивность пылевыделения с поверхности отвала, мг/с;
L
– расстояние от отвала до точки пылевых замеров, м;
Н
– высота отвала, м.
Интенсивность пылевыделения с
отвалов рассчитывается по формуле, мг/с:
поверхности
qоТ    F
сформированных
(9)
Здесь   a  v b - значение удельной сдуваемости пыли, мг/с м .
2
F
– площадь пылящей поверхности, м .
2
v – скорость ветра, м/с.
a, b
– эмпирические коэффициенты, зависящие от типа пород на отвале.
В случае, когда суммарная запыленность на расстоянии L выше ПДК,
значение L увеличивается и расчет повторяется.
Предельные допустимые концентрации загрязняющих веществ,
выделяющихся с терминалов сыпучих грузов.
В качестве основного критерия опасности загрязнения атмосферы
обычно используется предельно допустимая концентрации (ПДК)
загрязняющего вещества. Основным показателем опасности загрязнения
воздуха принимается весовая концентрация веществ. Данный показатель
применим также для пылей выделяющихся при формировании отвалов.
Однако в отдельных случаях в качестве показателя загрязнения может играть
роль и дисперсность.
Для оценки степени кратковременного воздействия примеси на
организм человека применяется максимально разовые ПДК, относимые к 2030 минутному интервалу времени.
Санитарно-защитная зона предприятия
Основой для установления санитарно-защитной зоны терминала для
обработки сыпучих грузов является санитарная классификация предприятий,
производств и объектов.
Величина санитарно-защитной зоны определяется исходя из
результатов расчета рассеивания загрязняющих веществ (то есть выполнения
условия на границе санитарной защитной зоны Ci  ПДКi ) или по указанным
нормативным документам (что больше).
Пылеобразование происходит как при формировании отвалов, так и
пылящими площадями, и не только в карьерах по добыче руды или
известняка. Оно имеет место также при перегрузке сыпучих грузов (на
железнодорожных станциях и портах). Поэтому санитарно-защитная зона
рассчитывается и формируется также для всех пунктов, где их перегрузка
производится.
В частности, согласно государственным санитарным правилам и
нормам для морских и речных портов ГСанПиН 7.7.4-046-99 , при
грузообороте порта свыше 150 тыс. тонн сыпучих грузов в год величина
санитарно-защитной зоны должна быть не менее 1000 метров.
Полученные по расчету или нормативным документам расстояния до
границы санитарно-защитной зоны, м, должны уточняться, для различных
направлений ветра, в зависимости от результатов расчета загрязнения
атмосферы и среднегодовой розы ветров района расположения предприятия.
Рекомендованная литература
1. Бретшнайдер Б. Охрана воздушного бассейна от загрязнений /
Б.Бретшнайдер, И.Курфюст – Л.: Химия, 1989. – 288 с.
Вопросы для самопроверки усвоения материала.
1. Охарактеризуйте аэрозоли как фактор снижающий безопасность
жизнедеятельности.
2. Охарактеризуйте свойства аэрозолей, благодаря которым их
применение в технике и современных технологиях возрастает.
3. Охарактеризуйте
источники
техногенных
аэрозолей,
относящихся к первой группе.
4. Охарактеризуйте
источники
техногенных
аэрозолей,
относящихся к второй группе.
5. Охарактеризуйте
источники
техногенных
аэрозолей,
относящихся к третьей группе.
6. Охарактеризуйте
источники
техногенных
аэрозолей,
относящиеся к комбинированным, приведите пример.
7. Охарактеризуйте химический состав частиц техногенного
аэрозоля.
8. Охарактеризуйте влияние частиц техногенных аэрозолей на
здоровье человека.
Раздел Л7. Основные компоненты и источники техногенного
загрязнения гидросферы.
В результате деятельности людей гидросфера Земли изменяется. Среди
этих изменений различают количественные (изменение количества воды,
пригодной для использования) и качественные (загрязнение воды вследствие
антропогенного влияния).
Загрязнение атмосферы, принявшее крупномасштабный характер,
нанесло ущерб рекам, озерам, водохранилищам, почвам. Загрязняющие
вещества и продукты их превращений рано или поздно из атмосферы
попадают на поверхность Земли. Эта и без того большая беда значительно
усугубляется тем, что и в водоемы, и на землю непосредственно идет поток
отходов. Огромные площади сельскохозяйственных угодий подвергаются
действию различных пестицидов и удобрений, растут территории свалок.
Промышленные предприятия сбрасывают сточные воды прямо в реки. Стоки
с полей также поступают в реки и озера. Загрязняются и подземные воды важнейший резервуар пресных вод.
Загрязнение пресных вод и земель бумерангом вновь возвращается к
человеку в продуктах питания и питьевой воде. Загрязнения условно делятся
на физическое, химическое, биологическое, тепловое и сброс отходов в воду
с целью захоронения или дампинг (можно отнести к физическому
загрязнению, но данный вопрос актуален в настоящее время поэтому его
можно выделить в отдельный вид загрязнения гидросферы).
Химические
загрязнители
Биологические загрязнители Физические
загрязнители
Кислоты
Вирусы
Радиоактивные
элементы
Щелочи
Бактерии
Взвешенные
частицы
Соли
Другие
болезнетворные Тепло
организмы
Пестициды
Водоросли
Нефть
Дрожжевые
грибки
Нитритный азот
твёрдые
Шлам
и
плесневые Ил
Глина
Тяжелые металлы
Химическое загрязнение
Химическое загрязнение воды происходит за счет поступления в
водоем со сточными водами разных вредных примесей неорганических
(кислоты, щелочи, минеральные соли) и органических (нефть и
нефтепродукты, моющие средства, пестициды и т.п.). Вредное действие
токсичных веществ, которые попадают в водоем, усиливается за счет так
называемого
кумулятивного
эффекта,
который
заключается
в
прогрессирующем увеличении содержимого вредных соединений в каждом
последовательном звене пищевой цепочки. Так, в фитопланктоне
содержимое вредных соединений оказывается в десять раз выше, чем в воде,
в зоопланктоне (личинки, мелкие рачки и т.п.) - еще в десять, в рыбе, которая
питается зоопланктоном, - еще в десять. А в организме хищных рыб (таких,
как щука или судак) концентрация яда увеличивается еще в десять и, итак,
будет в десять тысяч раз выше, чем в воде! Недавно, например, было
сообщение в процессе, которого содержание ртути в балтийской треске коегде равняется 800 мг на 1 кг массы рыбы. Это означает, что, съев 5-8 таких
рыбин, человек получает столько ртути, сколько ее содержится в
медицинском термометре.
Тяжелые металлы (ртуть, свинец, кадмий, цинк, медь, мышьяк)
относятся к числу распространенных и весьма токсичных загрязняющих
веществ. Они широко применяются в различных промышленных
производствах, поэтому, несмотря на очистные мероприятия, содержание
соединения тяжелых металлов в промышленных сточных водах довольно
высокое. Большие массы этих соединений поступают в океан через
атмосферу. Для морских биоценозов наиболее опасны ртуть, свинец и
кадмий. Ртуть переносится в океан с материковым стоком и через атмосферу.
При выветривании осадочных и изверженных пород ежегодно выделяется 3,5
тыс. т. ртути. В составе атмосферной пыли содержится около 121 тыс. т.
ртути, причем значительная часть - антропогенного происхождения. Около
половины годового промышленного производства этого металла (910 тыс. т.
в год) различными путями попадает в океан. В районах, загрязняемых
промышленными водами, концентрация ртути в растворе сильно
повышается. При этом некоторые бактерии переводят хлориды в
высокотоксичную метил-ртуть.
Заражение морепродуктов неоднократно приводило к ртутному
отравлению прибрежного населения. К 1977 году насчитывалось 2800 жертв
болезни Миномата, причиной которой послужили отходы предприятий по
производству хлорвинила и ацетальдегида, на которых в качестве
катализатора использовалась хлористая ртуть. Недостаточно очищенные
сточные воды предприятий поступали в залив Минамата. Свинец - типичный
рассеянный элемент, содержащийся во всех компонентах окружающей
среды: в горных породах, почвах, природных водах, атмосфере, живых
организмах. Наконец, свинец активно рассеивается в окружающую среду в
процессе хозяйственной деятельности человека. Это выбросы с
промышленными и бытовыми стоками, с дымом и пылью промышленных
предприятий, с выхлопными газами двигателей внутреннего сгорания.
Миграционный поток свинца с континента в океан идет не только с речными
стоками, но и через атмосферу.
К числу опасных загрязнителей вод относятся города, порты,
химические и целлюлозно-бумажные заводы, большие животноводческие
комплексы, горнорудная промышленность. В последнее время особое место
среди загрязнителей воды занимают синтетические моющие средства. Эти
вещества чрезвычайно стойкие, сохраняются в воде годами. Большинство из
них содержит фосфор, который оказывает содействие бушующему
размножению в воде сине-зеленых водорослей и «цветением» водоемов,
которое сопровождается резким снижением и воде содержимого кислорода,
гибелью рыбы и других организмов.
Загрязнение гидросферы нефтью и нефтепродуктами
Большой вред водоемам наносит нефть и нефтепродукты, которые
образовывают на поверхности пленку, которая препятствует газообмену
между водой и атмосферой и снижает содержимое кислорода в воде; 1 т.
нефти способна расплыться пленкой на 12 кв. км. поверхности воды. Оседая
на дно, сгустки мазута убивают донных микроорганизмы, которые
принимают участие в самоочищении воды. Гниение донных осадков,
загрязненных органическими соединениями, продуцирует в воду
отравляющие соединения, в частности, сероводород, который загрязняет всю
воду в реке или озере.
Нефть и нефтепродукты являются наиболее распространенными
загрязняющими веществами в Мировом океане. К началу 80-х годов в океан
ежегодно поступало около 16 млн. т. нефти, что составляло 0, 23% мировой
добычи. Наибольшие потери нефти связаны с ее транспортировкой из
районов добычи. Аварийные ситуации, слив за борт танкерами промывочных
и балластных вод, - все это обуславливает присутствие постоянных полей
загрязнения на трассах морских путей. В период за 1962-1979 годы в
результате аварий в морскую среду поступило около 2 млн. т. нефти. За
последние 30 лет, начиная с 1964 года, пробурено около 2000 скважин в
Мировом океане, из них только в Северном море 1000 и из них 350
промышленных скважин оборудовано. Из-за незначительных утечек
ежегодно теряется 0,1 млн. т. нефти. Большие массы нефти поступают в моря
по рекам, с бытовыми и ливневыми стоками. Объем загрязнений из этого
источника составляет 2 млн. т. в год. Со стоками промышленности ежегодно
попадает 0,5 млн. т. нефти. Попадая в морскую среду, нефть сначала
растекается в виде пленки, образуя слои различной мощности. По цвету
пленки можно определить ее толщину: нефтяная пленка изменяет состав
спектра и интенсивность проникновения в воду света. Пропускание света
тонкими пленками сырой нефти составляет 10 - 11% (280 нм), 60 - 70% (400
нм). Пленка толщиной 30 - 40 мкм полностью поглощает инфракрасное
излучение.
Нефть и нефтепродукты являются наиболее распространенными
загрязняющими веществами в Мировом океане. Основными источниками
загрязнения нефтью являются: регламентные работы при обычных
транспортных перевозках нефти, аварии при транспортировке и добычи
нефти, промышленные и бытовые стоки.
Наибольшие потери нефти связаны с ее транспортировкой из районов
добычи. Аварийные ситуации, слив за борт танкерами промывочных и
балластных вод, - все это обуславливает присутствие постоянных полей
загрязнения на трассах морских путей.
В воде нефтепродукты могут подвергаться одному из следующих
процессов: ассимиляции морскими организмами, повторной седиментации,
эмульгированию, образованию нефтяных агрегатов, окислению, растворению
и испарению. Компоненты отходов часто точно не известны, так что
предсказание последствий сброса - как биохимических, так и биологических
- и потенциальной опасности для экологической системы является
невозможным.
Загрязнение нефтепродуктами влияет и на среду обитания и может
привести к невозможности выживания в субстрате. Субстрат является
средой, от которой растение или организм получает поддержку. Присутствие
углеводородов может химически изолировать субстрат от всех видов. Виды,
нуждающиеся в субстрате только как в пассивной поддержке просто
опираются на субстрат - испытывают малое влияние; виды, живущие в
субстрате, другими словами активно зависящие от него, более уязвимы.
Биологическое загрязнение
Биологическое загрязнение водоемов состоит в поступлении в них со
сточными водами разных микроорганизмов (бактерий, вирусов), спор
грибков, яиц червей и т.д., много из которых являются болезнетворными для
людей, животных и растений. Среди биологических загрязнителей первое
место занимают коммунально-бытовые стоки (особенно, если они очищены
недостаточно), а также стоки предприятий сахарных заводов,
мясокомбинатов,
заводов,
которые
обрабатывают
кожу,
деревообрабатывающих комбинатов. Особого вреда биологическое
загрязнение водоемов наносит в местах массового отдыха людей (курортные
зоны побережья морей). Через плохое состояние канализационных и
очистительных сооружений в последнее время в Одессе, Мариуполе и других
городах побережья Черного и Азовского морей неоднократно закрывались
пляжи, поскольку в морской воде были выявлены возбудители таких
опасных болезней, как холера, дизентерия и гепатит.
Экологические последствия загрязнения гидросферы
Загрязнение водных экосистем представляет огромную опасность для
всех живых организмов и, в частности, для человека.
Установлено, что под влиянием загрязняющих веществ в пресноводных
экосистемах отмечается падение их устойчивости вследствие нарушения
пищевой пирамиды и ломки сигнальных связей в биоценозе,
микробиологического загрязнения, эвтрофирования и других крайне
неблагоприятных процессов. Они снижают темпы роста гидробионтов, их
плодовитость, а в ряде случаев приводят к их гибели. Наиболее изучен
процесс эвтрофирования водоемов. Этот естественный процесс, характерный
для всего геологического прошлого планеты, обычно протекает очень
медленно и постепенно, однако в последние десятилетия, в связи с
возросшим антропогенным воздействием, скорость его развития резко
увеличилась.
Ускоренная, или так называемая антропогенная эвтрофикация связана с
поступлением в водоемы значительного количества биогенных веществ азота, фосфора и других элементов в виде удобрений, моющих веществ,
отходов животноводства, атмосферных аэрозолей и т.д. В современных
условиях эвтрофикация водоемов протекает в значительно менее
продолжительные сроки - несколько десятилетий и менее.
Антропогенное эвтрофирование весьма отрицательно влияет на
пресноводные экосистемы, приводя к перестройке структуры трофических
связей гидробионтов, резкому возрастанию биомассы фитопланктона
благодаря массовому размножению сине-зеленых водорослей, вызывающих
«цветение» воды, ухудшающих ее качество и условия жизни гидробионтов (к
тому же выделяющих опасные не только для гидробионтов, но и для
человека токсины). Возрастание массы фитопланктона сопровождается
уменьшением разнообразия видов, что приводит к невосполнимой утрате
генофонда, уменьшению способности экосистем к гомеостазу и
саморегуляции.
Процессы антропогенной эвтрофикации охватывают многие крупные
озера мира - Великие Американские озера, Балатон, Ладожское, Женевское и
др., а также водохранилища и речные экосистемы, в первую очередь малые
реки. На этих реках, кроме катастрофически растущей биомассы
синезеленых водорослей, с берегов происходит зарастание их высшей
растительностью. Сами же сине-зеленые водоросли в результате своей
жизнедеятельности производят сильнейшие токсины, представляющие
опасность для гидробионтов и человека.
Помимо избытка биогенных веществ на пресноводные экосистемы
губительное воздействие оказывают и другие загрязняющие вещества:
тяжелые металлы (свинец, кадмий, никель и др.), фенолы, СПАВ и др. Так,
например, водные организмы Байкала, приспособившиеся в процессе
длительной эволюции к естественному набору химических соединений
притоков озера, оказались неспособными к переработке чуждых природным
водам химических соединений (нефтепродуктов, тяжелых металлов, солей и
др.). В результате отмечено обеднение гидробионтов, уменьшение биомассы
зоопланктона, гибель значительной части популяции байкальской нерпы и
др..
Особенности антропогенного загрязнения вод Мирового океана
Сушу и океан связывают реки, впадающие в моря и несущие различные
загрязнители. Не распадающиеся при контакте с почвой химические
вещества, такие как нефтепродукты, нефть, удобрения (особенно нитраты и
фосфаты), инсектициды и гербициды в результате выщелачивания попадают
в реки, а затем в океан. В итоге океан превращается в место сброса этого
«коктейля» из питательных веществ и ядов.
Нефть и нефтепродукты — основные загрязнители океанов, но
наносимый ими вред значительно усугубляют сточные воды, бытовой мусор
и загрязнение воздуха. Выносимые на пляжи пластмассовые предметы и
нефть остаются вдоль отметки уровня прилива, свидетельствуя о загрязнении
морей и о том, что многие отходы не разлагаются микроорганизмами.
Исследование Северного моря показало, что около 65 % обнаруженных
там загрязняющих веществ были принесены реками. Ещё 25 % загрязнителей
поступили из атмосферы (включая 7000 т свинца от выхлопов автомобилей),
10 % — от прямых сбросов (в основном сточные воды), а остальное — от
сливов и сбросов отходов с судов.
Десять штатов США сбрасывают отходы в море. В 1980 г. было
сброшено 160 000 т отходов, но с тех пор эта цифра уменьшилась.
Все серьёзные случаи загрязнения океана связаны с нефтью. В
результате широко распространённой практики мытья трюмов танкеров, в
океан ежегодно сознательно сбрасывается от 8 до 20 млн баррелей нефти.
Раньше такие нарушения часто оставались безнаказанными, но сегодня
спутники позволяют собрать необходимые улики и привлечь виновных к
ответственности.
Крушения крупных танкеров.

Крушение танкера Торрей Каньон в марте 1967 года около Лендс-Энд в
Великобритании. Согласно подсчётам, тогда в море попало около 106
тысяч тонн нефти.

Крушение танкера Амоко Кадиз на бретонском побережье Франции в
1978 году, произошедшее из-за поломки двигателя танкера, в
результате разбившегося о скалистый берег. Погибли тысячи
перелётных птиц.

В 1989 г. танкер «Экссон Вальдес» сел на мель в районе Аляски, и
нефтяное пятно в результате разлива почти 11 млн галлонов (ок. 50
тыс. т) нефти растянулось на 1600 км вдоль побережья. Только по делу
об уголовной ответственности суд обязал владельца судна — нефтяную
компанию «Экссон мобил» — выплатить штату Аляска 150 млн долл.,
самый крупный экологический штраф в истории. Из этой суммы суд
простил компании 125 млн в признание её участия в ликвидации
последствий катастрофы, но ещё 100 млн «Экссон» заплатил за ущерб
природе и 900 млн в течение 10 лет по гражданским искам. Хотя
последняя выплата федеральным и аляскинским властям состоялась в
сентябре 2001 г., до 2006 г. правительство могло подать иск ещё на
сумму до 100 млн, если обнаружились бы экологические последствия,
которые нельзя было предусмотреть во время суда. Огромную сумму
составляют также претензии компаний и частных лиц, по многим из
которых тяжба длится до сих пор.
«Экссон Вальдес» — один из самых известных, но, тем не менее, многих
случаев разлива нефти в море.
Крупнейшая в истории утечка нефти в Мировой океан при аварии
на нефтяной платформы Deepwater Horizon произошла 20 апреля 2010
года в 80 километрах от побережья штата Луизиана в Мексиканском заливе
на месторождении Макондо. В момент взрыва на платформе Deepwater
Horizon погибло 11 человек и пострадало 17 из 126 человек, находившихся
на платформе. В конце июня 2010 года появились сообщения о гибели ещё 2
человек при ликвидации последствий катастрофы.
Через повреждения труб скважины на глубине 1500 метров в
Мексиканский залив за 152 дня вылилось около 5 миллионов баррелей
нефти, нефтяное пятно достигло площади 75 тысяч квадратных километров.
По состоянию на 23 апреля 2010 года площадь нефтяного пятна
составила 250 квадратных километров[21], а уже к концу апреля 2010 года
нефтяное пятно достигло размеров 72 км на 169 км.
По состоянию на 29 апреля 2010 года нефтяное пятно достигло в
окружности 965 километров и находилось на расстоянии 34 километров от
побережья штата Луизиана. Вечером 29 апреля 2010 года нефтяное пятно
достигло устья реки Миссисипи.
6 мая 2010 года нефть была обнаружена на острове Фримейсон
архипелага Шанделур, входящем в один из старейших заповедников США,
штат Луизиана.
4 июня 2010 года нефть появилась на пляже города Пенсакола штат
Флорида, считающимся одним из «самых белых пляжей».
28 июня 2010 года нефть достигла штата Миссисипи, где были
загрязнены пляжи в 16 километрах от города Билокси.
6 июля сгустки нефти были обнаружены на пляжах в окрестностях
городов Галвестон и Техас-Сити штата Техас, также нефтяные сгустки были
обнаружены в крупнейшем озере штата Луизиана Пончартрейн.
Также были обнаружены многочисленные подводные шлейфы нефти,
так в мае 2010 года были сообщения о существовании шлейфов нефти
размерами до 16 километров в длину, до 5 километров в ширину и 90 метров
толщиной.
По состоянию на август 2010 года размер подводного шлейфа нефти
достигал 35 километров в длину на глубине 1100 метров, пробы, взятые из
шлейфа
показали
концентрацию
моноароматических
нефтяных
углеводородов более 50 микрограмм на литр.
В результате разлива нефти было загрязнено 1770 километров
побережья, был введён запрет на рыбную ловлю, для промысла были
закрыты более трети всей акватории Мексиканского залива. От нефти
пострадали все штаты США, имеющие выход к Мексиканскому заливу,
сильнее всего пострадали штаты Луизиана, Алабама, Миссисипи и Флорида.
По данным на 25 мая 2010 года на побережье Мексиканского залива
было обнаружено 189 мёртвых морских черепах, птиц и других животных, на
тот момент разлив нефти угрожал более 400 видам животных, в том числе
китам и дельфинам.
По состоянию на 2 ноября 2010 года было собрано 6814 мёртвых
животных, в том числе 6104 птицы, 609 морских черепах, 100 дельфинов и
других млекопитающих, и одна рептилия другого вида.
По данным Управления особо охраняемых ресурсов и Национального
управления океанических и атмосферных управлений в 2010—2011 годы
зафиксировано повышение смертности китообразных на севере
Мексиканского залива в несколько раз по сравнению с предыдущими годами
(2002—2009 годы).
Серьёзный урон рыболовной отрасли нанесло закрытие для
рыболовства более 1/3 акватории Мексиканского залива, но и после снятия
запрета на рыболовство существовали проблемы с реализацией продукции. В
момент аварии без работы остались более 150 000 рыболовов и работников
ресторанов.
Туристическая ассоциация США в 2010 году прогнозировала
экономические потери туризма на побережье Мексиканского залива от
разлива нефти в 23 миллиарда долларов США за три года, на тот момент
доходность туристической отрасли пяти стран мексиканского залива
составляла 34 миллиарда долларов США в год и в сфере туризма работало
400 000 человек.
Также экономические потери понесла нефтяная отрасль, после аварии на
полгода был введён мораторий на бурение, что привело к потере 13 000
рабочих мест и не выплаченным зарплатам на сумму 800 миллионов
долларов США.
Океан остаётся местом больших и малых экологических бедствий, связанных
с перевозкой крайне опасных грузов. Так было с судами «Кэрен Би» (1987),
на борту которого находилось 2000 т токсичных отходов, и «Акацуки-мару»
(1992), вёзшим большую партию радиоактивного плутония из Европы в
Японию для переработки.
Сточные воды
Помимо нефти к наиболее вредным отходам относятся сточные воды. В
малых количествах они обогащают воду и способствуют росту растений и
рыб, а в больших — разрушают экосистемы. В двух крупнейших в мире
местах сброса стоков — в Лос-Анджелесе (США) и Марселе (Франция) —
специалисты занимаются очисткой загрязнённых вод уже более двух
десятилетий. На снимках со спутника чётко видно растекание сбрасываемых
выпускными коллекторами стоков. Подводные съёмки свидетельствуют о
вызванной ими гибели морских организмов (подводные пустыни, усеянные
органическими
остатками),
но
принятые
в
последние
годы
восстановительные меры позволили значительно улучшить ситуацию.
Усилия по разжижению канализационных стоков направлены на
снижение их опасности; при этом солнечный свет убивает некоторые
бактерии. Такие меры оказались эффективными в Калифорнии, где в океан
сбрасываются бытовые стоки — результат жизнедеятельности почти 20 млн
жителей этого штата.
Металлы и химикаты
В последние годы уменьшилось содержание в водах океанов металлов,
ДДТ (инсектицид) и ПХД (полихлордифенилов), а вот количество мышьяка
необъяснимо возросло. ДДТ (долго сохраняющийся в природе токсичный
пестицид на основе хлорорганического соединения) запрещён в большинстве
развитых стран, но по-прежнему используется в некоторых районах Африки.
К опасным химическим веществам, способным нарушить
экологический баланс, относятся и такие тяжёлые металлы, как кадмий,
никель, мышьяк, медь, свинец, цинк и хром. Согласно подсчётам только в
Северное море ежегодно сбрасывается до 50 000 т этих металлов. Ещё
большую тревогу вызывают пестициды — альдрин, дильдрин и эндрин, —
накапливающиеся в животных тканях. Пока неизвестны отдалённые
последствия применения таких химикатов.
Губителен для морских обитателей и ТБТ (трибутилоловохлорид, (nС4Н9)3SnCl), широко применяемый для покраски килей кораблей и
препятствующий их обрастанию ракушками и водорослями. Доказано, что
ТБТ изменяет пол самцов трубачей (вид ракообразных); в результате вся
популяция состоит из женских особей, что исключает возможность
размножения. Есть заменители, не оказывающие пагубного воздействия на
живую природу — например, соединение на основе меди в 1000 раз менее
токсично для животных и растений.
От загрязнения страдают все океаны, но загрязнённость прибрежных
вод выше, чем в открытом океане, из-за намного большего числа источников
загрязнения: от береговых промышленных установок до интенсивного
движения морских судов. Вокруг Европы и у восточных берегов Северной
Америки на мелководных континентальных шельфах устраивают садки для
разведения устриц, мидий и рыб, уязвимых для токсичных бактерий,
водорослей и загрязнителей. Кроме того, на шельфах ведётся
нефтеразработка, что увеличивает риск разлива нефти и загрязнения.
Воды Средиземного моря полностью обновляются раз в 70 лет
Атлантическим океаном, с которым оно сообщается. До 90 % сточных вод
поступало сюда из 120 прибрежных городов, а другие загрязнители
приходятся на долю 360 млн людей, живущих или проводящих отпуск в 20
средиземноморских странах. Это море превратилось в громадную
загрязнённую экосистему, куда ежегодно поступает около 430 млрд т
отходов. Наиболее загрязнены морские побережья Испании, Франции и
Италии, что объясняется наплывом туристов и работой предприятий тяжёлой
промышленности.
Из местных млекопитающих хуже всех пришлось средиземноморским
тюленям-монахам. Они стали редко встречаться из-за возросшего потока
туристов, а отдалённые места их обитания на островках теперь достижимы
для быстроходных катеров и аквалангистов. Кроме того, всё больше тюленей
погибает, запутавшись в рыболовных сетях.
Зелёные морские черепахи обитают во всех океанах, где температура
воды не опускается ниже 20 °C, но их гнездовья находятся под угрозой как в
Средиземном море (в Греции), так и в океане. На острове Бали (Индонезия) у
пойманных черепах отбирают яйца, чтобы дать возможность молодым
черепашкам подрасти, а затем выпускают их на волю, когда у них будет
больше шансов выжить.
Другой распространённый вид загрязнения океанов — цветение воды
из-за массового развития водорослей или планктона. Буйное цветение вод
Северного моря у берегов Норвегии и Дании было вызвано разрастанием
водорослей Chlorochromulina polylepis, в результате чего серьёзно пострадал
промысел лосося. В водах умеренного пояса такие явления известны уже
довольно давно, но в субтропиках и тропиках «красный прилив» был
впервые замечен вблизи Гонконга в 1971 г. Впоследствии такие случаи часто
повторялись. Считают, что это связано с промышленными выбросами
большого количества микроэлементов, особенно смывом в водоёмы
сельскохозяйственных удобрений, действующих как биостимуляторы роста
фитопланктона. Со взрывным ростом биомассы фитопланктона консументы
первого порядка не справляются, в результате чего большая часть в пищевых
цепях не используется и просто отмирает, опускаясь на дно. Разлагая
органическое вещество отмершего фитопланктона, донные бактерии нередко
используют весь растворенный в воде кислород, что может привести к
формированию зоны гипоксии (с недостаточным для аэробных организмов
содержанием кислорода). Подобные зоны приводят к сокращению
биоразнообразия и биомассы аэробных форм бентоса[1].
Устрицы, как и другие двустворчатые моллюски, играют важную роль
в фильтрации воды. Раньше устрицы за восемь дней полностью фильтровали
воду в части Чесапикского залива, относящейся к штату Мэриленд. Сегодня
они затрачивают на это 480 дней из-за цветения и загрязнения воды. После
цветения водоросли умирают и разлагаются, способствуя размножению
бактерий, поглощающих жизненно важный кислород.
Все морские животные, добывающие пищу путём фильтрации воды,
очень чувствительны к загрязнителям, которые накапливаются в их тканях.
Плохо переносят загрязнение кораллы, и над коралловыми рифами и
атоллами нависла серьёзная угроза.
Загрязнение пластмассовыми отходами.
Скопления отходов из пластмасс образуют в Мировом океане под
воздействием течений особые мусорные пятна. На данный момент известны
пять больших скоплений мусорных пятен — по два в Тихом и
Атлантическом океанах, и одно — в Индийском океане. Данные мусорные
круговороты в основном состоят из пластиковых отходов, образующихся в
результате сбросов из густонаселённых прибрежных зон континентов.
Пластиковый мусор опасен ещё и тем, что морские животные, зачастую,
могут не разглядеть прозрачные частицы, плавающие по поверхности, и
токсичные отходы попадают им в желудок, часто становясь причиной
летальных исходов.
Содержащиеся в сточных водах вредные организмы плодятся в
моллюсках и вызывают у человека многочисленные болезни. Самая
распространённая бактерия — кишечная палочка — является индикатором
заражения.
Безопасное содержание Escherichia coli — не более 230 бактерий на 100
г ткани. Другие опасные для человека микроорганизмы — это бактерии
Salmonella и Staphylococcus, поражающие ракообразных, бактерия Vibrio
parahaemolyticus. ПХД накапливаются в морских организмах (имеют
кумулятивное воздействие). Эти промышленные загрязняющие вещества —
яд для животных и человека. Как и другие загрязнители океанов, например
применяемый в пестицидах и антисептиках для древесины ГХГ
(гексахлорциклогексан), они являются стойкими хлорсодержащими
соединениями.
Эти химикаты выщелачиваются из почвы и попадают в море, где
проникают в ткани живых организмов. Рыб с ПХД или ГХГ могут съесть как
люди, так и рыбы. Рыбу потом поедают тюлени, а те в свою очередь
становятся пищей для некоторых видов китов или белых медведей. Каждый
раз, когда химические вещества переходят с одного уровня пищевой цепи на
другой, их концентрация растёт. Ничего не подозревающий белый медведь,
съедающий дюжину тюленей, поглощает вместе с ними токсины,
содержавшиеся в десятках тысяч заражённых рыб.
Считают, что загрязняющие вещества виновны и в повышении
восприимчивости морских млекопитающих к чумке, поразившей Северное
море в 1987-88 гг., когда погибли не менее 11 тысяч обыкновенных и
длинномордых тюленей. Вероятно, металлические загрязнители в океане
стали также причиной появления кожных язв и увеличения печени у рыб,
включая камбалу, 20 % популяции которой в Северном море поражено этими
болезнями.
Скорости поступления загрязняющих веществ в Мировой океан в
последнее время резко возросли. Ежегодно в океан сбрасывается до 300
млрд. м? сточных вод, 90% которых не подвергается предварительной
очистке. Морские экосистемы подвергаются все большему антропогенному
воздействию посредством химических токсикантов, которые, аккумулируясь
гидробионтами по трофической цепи, приводят к гибели консументов даже
высоких порядков, в том числе и наземных животных - морских птиц,
например. Среди химических токсикантов наибольшую опасность для
морской биоты и человека представляют нефтяные углеводороды (особенно
бенз(а) пирен), пестициды и тяжелые металлы (ртуть, свинец, кадмий и др.).
Экологические
последствия
загрязнения
выражаются в следующих процессах и явлениях:
морских
экосистем
- нарушении устойчивости экосистем;
- прогрессирующей эвтрофикации;
- появлении «красных приливов»;
- накоплении химических токсикантов в биоте;
- снижении биологической продуктивности;
- возникновении мутагенеза и канцерогенеза в морской среде;
- микробиологическом загрязнении прибрежных районов моря.
До определенного предела морские экосистемы могут противостоять
вредным воздействиям химических токсикантов, используя накопительную,
окислительную и минерализующую функции гидробионтов. Установлено
также, что микроорганизмы водоемов и донных отложений обладают
достаточно развитым механизмом устойчивости к тяжелым металлам, в
частности, они способны продуцировать сероводород, внеклеточные
экзополимеры и другие вещества, которые, взаимодействуя с тяжелыми
металлами, переводят их в менее токсичные формы.
В то же время в океан продолжают поступать все новые и новые
токсичные загрязняющие вещества. Все более острый характер приобретают
проблемы эвтрофирования и микробиологического загрязнения прибрежных
зон океана. В связи с этим важное значение имеет определение допустимого
антропогенного давления на морские экосистемы, изучение их
ассимиляционной емкости как интегральной характеристики способности
биогеоценоза к динамическому накоплению и удалению загрязняющих
веществ.
Для здоровья человека неблагоприятные последствия при
использовании загрязненной воды, а также при контакте с ней (купание,
стирка, рыбная ловля и др.) проявляются либо непосредственно при питье,
либо в результате биологического накопления по длинным пищевым цепям
типа: вода - планктон - рыбы - человек или вода - почва - растения животные - человек, и др.
При непосредственном контакте человека с бактериально загрязненной
водой, а также при проживании или нахождении близ водоема различные
паразиты могут проникнуть в кожу и вызвать тяжелые заболевания, особенно
характерные для тропиков и субтропиков. В современных условиях
увеличивается опасность и таких эпидемических заболеваний как холера,
брюшной тиф, дизентерия и др.
Важнейшими характеристиками состояния экосистем различных
компонентов гидросферы являются распределения в их водной среде
концентраций
различных
веществ,
которые
называются
иначе
гидрохимическими полями. Каждое из этих распределений изменяется под
влиянием различных природных и антропогенных факторов, что во многих
случаях проявляется как химическое загрязнение.
Факторы,
которые
обуславливают
пространственно-временную
изменчивость гидрохимических полей, могут быть разделены на химические,
биологические и физические.
Химические факторы – это в основном химические реакции, в
результате которых растворимые в воде соединения превращаются в
нерастворимые, либо газообразные вещества.
Биологические факторы – потребление из воды всеми видами биоты
растворимых
соединений, а также выделение
продуктов ее
жизнедеятельности.
Физические процессы – процессы переноса веществ из одних областей
гидросферы в другие, а также обмена ее веществами с атмосферой и
литосферой.
Классификация
гидрохимических полей
физических
факторов
изменчивости
Как уже отмечалось выше, рассматриваемые факторы можно разделить
на две группы:
- процессы переноса веществ в водной среде;
- процессы обмена веществами между гидросферой, атмосферой,
криосферой и литосферой.
Процессы переноса веществ в гидросфере – течения различных
пространственных масштабов, происхождения и ориентации в пространстве.
Процессы обмена между гидросферой и другими абиотическими
компонентами биосферы могут быть разделены на две группы.
К первой относятся процессы, увеличивающие содержание в водной
среде химических соединений:
- выпадение жидких атмосферных осадков;
- береговой сток;
- инфильтрация из недр Земли;
-осаждение на водную поверхность частиц аэрозоля;
-водная эрозия берегов и дна водных объектов;
-испарение;
-образование морских льдов.
Ко второй относятся процессы, приводящие
концентраций в воде растворимых в ней веществ:
-образование частиц океанических аэрозолей;
-таяние морских льдов;
-снегопады;
к
уменьшению
- седиментация;
- прибой.
Антропогенное влияние на сероводородную зону Черного моря.
Одной из важных особенностей гидрохимии Черного моря является
существование в его глубинах сероводородной зоны. Как свидетельствую
геологические данные, сероводородная зона в этом бассейне за период его
существования
существовала
неоднократно.
Следы
сероводорода
встречаются в донных отложениях, сформировавшихся в период
воссоединения водоема с Мировым океаном и его резкого осолонения. В
последующем, а также ранее (в сформировавшемся морском бассейне , либо
пресноводном озере) илы содержащие сероводород не образовывались.
Таким образом сероводородная зона- детище переходных периодов от
очередной озерной стадии развития бассейна к соответствующей морской.
Последний раз сероводородная зона в водоеме, заполняющем
черноморскую впадину, начала формироватся около 9000 лет назад , когда
соленые мраморноморские воды впервые проложили себе путь через пролив
Босфор (образовав нижнебосфорское течение). До этого в глубоководной
котловине Черного моря существовал пресноводный бассейн –
Новоэвксинское озеро (соленость около 3 промиле) . Его воды аэрировались
конвективным перемешиванием до самого дна (следы сероводорода в
образовавшихся в то время илах не обнаружены).
Такое состояние бассейна наблюдалось в течение всего периода
Вюрмского оледенения (30000-10000 лет тому назад). Потепление климата в
Европе , начавшееся 12-15 тыс лет назад , привело к увеличению речного
стока в Новоэвксинский бассейн и повышение его уровня. Около 10000 лет
назад это привело к образованию на месте Босфора реки , вытекающей из
Черного моря и впадающей в Мраморное.
Прорыв
мраморноморских вод в Черное море начался спустя
оринтировочно 1000 лет. Он стал возможен благодаря действию таких
факторов как глобальное потепление климата (вызвавшее подъем уровня
Мирового океана), а также специфическая динамика неотектонических
движений земной коры в Прибосфорском районе (расширение и углубление
проходящего по проливу неотектонического раздлома).
Проникновение в Черноморскую впадину более плотных и соленых
мраморноморских вод привело к ее постепенному заполнению и вытеснению
на поверхность глубинных вод новоэвксинского озера. Подъем в
эвфотический слой водоема богатых питательными веществами , а также
фосфатами и нитратами вод привело к резкому возростанию продуктивности
этого слоя (развитию фитопланктона), сопровождающемуся увеличению
концентрации органики в воде и осадках. Этому же способствовало и
возростание речного стока, выносящего в море по мере таяния ледника все
больше и больше питательных веществ.
Одновременно произошло ужесточение плотностной стратификации
вод. Градиент плотности на границе распресненных новоэвксинских и
соленых мраморноморских вод по мере ее приближения к поверхности все
более возростал, уменьшая скорость вертикального обмена и затрудняя
проникновение кислорода в глубинные слои моря. Это , а также интенсивное
потребление кислорода в придонном слое моря при окислении огромного
количества оседающего органического вещества привело к возникновению
здесь геобиохимически устойчивой зоны с анаэробными условиями.
Первые следы сероводорода во вновь образующихся илах Черного
моря датируются временем 7000-8000 лет назад. Современного состояния
сероводородная зона достигла ориентировочно 3000 лет назад.
В результате какого же процесса в водах Черного моря образуется
сероводород. Первые гипотезы по этому поводу выдвинули Андрусов и
Лебединцев. Андрусов предположил, что сероводород образуется за счет
гниения серосодержащих
соединений. По мнению Лебединцева –
преобладающим
механизмом
образования
сероводорода
является
восстановление сульфатов при разложении органики.
Исаченко и др. обнаружили в глубинных водах и илах Черного моря
сульфатредуцирующие бактерии, способные создавать сероводород из
сульфатов.
Сорокин исследовал влияние на развитие популяции этих бактерий и
скорость образования ею сероводорода параметров окружающей среды,
характерных для различных слоев вод Черного моря.
Данильченко и Чигорин впервые доказали, что 99.5% сероводорода в
Черном море образуется за счет микробиологической сульфатредукции, а
0.5% - при минерализации органики.
Крисс установил, что гнилосных бактерий в современных донных
отложениях Черного моря больше чем сульфатредуцирующих , а скорость
образования сероводорода первыми – выше. Он установил, что основная
масса сероводорода образуется не в глубинных водах, а именно в слое
современных донных отложений, причем не менее 50%- за счет гниения
мертвой органики.
Последующие исследования подтвердили, что микробиологическая
сульфатредукция действительно является основной приходной статьей в
балансе
сероводорода
Черного
моря.
Установлено,
что
все
сульфатредуцирующие
микроорганизмы
являются
анаэробными.
Оптимальный для их развития диапазон РН от 6.3 до 8.6. Энергетический
обмен сульфатредуцирующих бактерий основан на анаэробном окислении
низкомолекулярных органических веществ до углекислоты за счет
восстановления окисленных форм серы. Для осуществления этого процесса
они нуждаются в готовых органических вществах.
Около 8 млн.т сероводорода образутся ежегодно в поврхностном слое
осадков сероводородной зоны. Скопинцев установил, что наиболее
интенсивно сульфатредукция идет в самом верхнем слое илов толщиной 1-2
см. На глубине 5 см скорость сульфатредукции уменьшается в 30 раз, а на
глубине 10см этот процесс вовсе не наблюдается (толща илов не содержит
рассматриваемых бактерий). Более поздние исследования подтвердили, что
максимальна интенсивность сульфатредукции действительно на поверхности
илов, однако и в более глубоких слоях (глубже 10см) она также происходит
Наиболее интенсивна сульфатредукция в илах, формирующихся на
периферии моря, наименее интенсивна в илах центральной части.
Максимальна концентрация сероводорода (более 20 мг/л) наблюдается в
осадках северо- западного материкового склона. В осадках глубоководной
части моря максимальная концентрация сероводорода не превышает 10 мг/л.
Наряду с сульфатредукцией на верхней границе современных
отложений еще одним установленным источником сероводорода в Черном
море является 20-30м слой водной толщи, расположенный непосредственно
вблизи верхней границы сероводородной зоны.. Расчеты показывают что
здесь продуцируется ежегодно более 20 млн.т. сероводорода. Установлено,
что общая продукция сероводорода в расматриваемой прослойке вод в 5-20
раз больше чем в осадках, несмотря на то, что интенсивность этого процесса
в осадках в 10 –100 раз выше. Крисс и Рукина показали, что в
рассматриваемом слое сосредоточены скопления сульфатредуцирующих
бактерий. Ниже этого слоя сульфатредукция происходит эпизодически и
лишь в локальных областях. Наиболее высока продуктивность по
сероводороду водной толщи в зоне материкового склона на периферии моря,
но наибольшее количество сероводорода образуется в районах
глубоководной части моря (площадь которых гораздо больше).
В последние десятилетия появились работы, рассматривающие
возможность поступления сероводорода в воды Черного моря из недр земли.
Так Зеленов указывает на источник сероводорода- термальные источники
расположенные на морском дне. Вместе с тем известные в настоящее время
подобные источники не в состоянии объяснить количества сероводорода
поступающего в море (этих источников мало и они относительно слабы).
Если в Черном море будут найдены мощные подводные вулканы, способные
дать необходимое количество сероводорода в воду ученым придется
подумать о новых путях его расхода (поскольку в настоящее время
существует примерный баланс).
Согласно современным представлениях о путях расхода сероводорода
из вод Черного моря, основным является микробиологическое окисление.
Этот процесс осуществляется тионовыми бактериями, обитающими на
верхней границе сероводородной зоны. В настоящее время принято считать,
что эти бактерии за год окисляют такое же количество сероводорода какое
образуется сульфатредуцентами (баланс близок к нулю). Среди тионовых
бактерий значительная часть- фтосинтезирующие (например – серные). Их
активность тем выше чем больше освещенность. Поэтому при подъеме
верхней границы сероводородной зоны к поверхности моря бактерии –
окислители оказываются в более благоприятных условиях и процесс
окисления начинает преобладать над редукцией. При заглублении границы
сероводородной зоны активность тионовых бактерий снижается и баланс
сероводорода смещается в обратную сторону (начинает преобладать
редукция). Указанные механизмы обеспечивают относительное постоянство
глубины залегания верхней границы сероводородной зоны Черного моря.
При уменьшении прозрачности вод приповрхностного слоя Черного
моря активность тионовых бактерий на занимаемом ими ныне горизонте
снижается. К этому же результату может приводить загрязнение слоя моря
населенного тионовыми бактериями химическими веществами тормозящими
изх развитие, либо увеличивающими их смертность.
Известно, что упомянутый слой в современном Черном море
располагается несколько ниже ядра холодного промежуточного слоя- на
горизонте где происходит распространение языков холодных распресненных
шельфовых вод.
Поэтому факторами, способствующими подъему верхней границы
сероводородной зоны к поверхности моря являются :
-загрязнение и замутнение приповерхностного слоя глубоководной
части Черного моря, либо уменьшение прозрачности атмосферы над морем
(это возможно при воздействии как природных (пыль и пепел от извержения
вулканов и т.п.), так и техногенных факторов);
-загрязнение токсическими веществами холодных распресненных
шельфовых вод. Последнее достигается как путем техногенного загрязнения
речного стока (в особенности в зимний период), так и путем выброса
полютантов в атмосферу (дым и пыль) и последующего перноса ветром в
северо-западную часть Черного моря(где они поступают в шельфовые воды).
Еще одним фактором, влияющим на положение верхней границы
сероводородной зоны является сезон года и объем речного стока .
Летом
поверхностный слой моря прогревается, что обостряет
вертикальный градиент плотности , препятствующий проникновению
кислорода на глубины. Это способствует подъему границы сероводородной
зоны. Зимой вертикальный обмен в море интенсифицируется, кислород
активнее проникает на глубину , а граница сероводородной зоны опускается
ниже.
При увеличении объема речного стока возрастает распреснение
поверхностного слоя моря, что ведет к обострению вертикального градиента
плотности и ослаблению вертикального обмена (граница сероводородной
зоны несколько поднимается). При уменьшении объема речного стока
результат противоположный.
Как это не странно, но существование популяций тионовых бактерий
выявлено также в верхнем слое донных отложений на дне сероводородной
зоны. Впервые это установил Крисс, высказавший предположение о том, что
на дне моря в сероводородной зоне также идут процессы окисления. Этот
результат нашел подтверждение в исследованиях Еремеева, показавшего ,
что в илах процесс образования сероводорода и его окисления идут
параллельно.
Позже Сорокин доказал существование популяций тионовых бактерий
окислителей в илах образующихся на глубинах до 2000м.
Рекомендованная литература
1. Безбородов А.А., Еремеев В.Н. Черное море. Зона
взаимодействия аэробных и анаэробных вод. Севастополь: «МГИ
НАНУ». 1993. –298С.
2. Зайцев Ю. П. Введение в экологию Чёрного моря. Одесса. Изд-во
«Эвен». 2006. 224 с.
3. Биотический механизм самоочищения пресных и морских вод.
М.: МАКС-Пресс. 2004.
4. Фелленберг Г. Загрязнение природной среды. М.: Мир. 1997. 232
с.
Вопросы для самоконтроля усвоения материала
1. За счет чего происходит химическое загрязнение водной среды?
2. Чем опасно загрязнение водоемов тяжелыми металлами?
3. Какой вред наносит загрязнение водных объектов нефтью и
нефтепродуктами?
4. Как нефть попадает в Мировой океан?
5. В чем состоит биологическое загрязнение вод районов Мирового
океана?
6. Что такое антропогенная эвтрофикация?
7. Каков источник сероводорода в водах Черного моря?
8. Какое антропогенное воздействие способно привести к подъему
верхней границы сероводородной зоны к поверхности черного моря?
С7. Тяжелые металлы в водах Мирового океана
Тяжелые металлы относятся к приоритетным загрязняющим
веществам, наблюдения за которыми обязательны во всех средах.
Термин тяжелые металлы, характеризующий широкую группу
загрязняющих веществ, получил в последнее время значительное
распространение. В различных научных и прикладных работах авторы поразному трактуют значение этого понятия. В связи с этим количество
элементов, относимых к группе тяжелые металлы, изменяется в широких
пределах. В качестве критериев принадлежности используются
многочисленные характеристики: атомная масса, плотность, токсичность,
распространенность в природной среде, степень вовлеченности в природные
и техногенные циклы. В некоторых случаях под определение тяжелых
металлов попадают элементы, относящиеся к хрупким (например, висмут)
или металлоидам (например, мышьяк).
В работах, посвященных проблемам загрязнения окружающей
природной среды и экологического мониторинга, на сегодняшний день к
тяжелым металлам относят более 40 элементов периодической системы
Д.И. Менделеева с атомной массой свыше 50 атомных единиц: V, Cr, Mn, Fe,
Co, Ni, Cu, Zn, Mo, Cd, Sn, Hg, Pb, Bi и др. При этом немаловажную роль в
категорировании тяжелых металлов играют следующие условия: их высокая
токсичность для живых организмов в относительно низких концентрациях, а
также способность к биоаккумуляции и биомагнификации. Практически все
металлы, попадающие под это определение (за исключением свинца, ртути,
кадмия и висмута, биологическая роль которых на настоящий момент не
ясна), активно участвуют в биологических процессах, входят в состав многих
ферментов. По классификации Н. Реймерса, тяжелыми следует считать
металлы с плотностью более 8 г/см3.
Формально определению тяжелые металлы соответствует большое
количество элементов. Однако по мнению исследователей, занятых
практической деятельностью, связанной с организацией наблюдений за
состоянием и загрязнением окружающей среды, соединения этих элементов
далеко не равнозначны как загрязняющие вещества. Поэтому во многих
работах происходит сужение рамок группы тяжелых металлов, в
соответствии с критериями приоритетности, обусловленными направлением
и спецификой работ. Так, в ставших уже классическими работах Ю.А.
Израэля в перечне химических веществ, подлежащих определению в
природных средах на фоновых станциях в биосферных заповедниках, в
разделе тяжелые металлы поименованы Pb, Hg, Cd, As. С другой стороны,
согласно решению Целевой группы по выбросам тяжелых металлов,
работающей под эгидой Европейской Экономической Комиссии ООН и
занимающейся сбором и анализом информации о выбросах загрязняющих
веществ в европейских странах, только Zn, As, Se и Sb были отнесены к
тяжелым металлам. По определению Н. Реймерса отдельно от тяжелых
металлов стоят благородные и редкие металлы, соответственно, остаются
только Pb, Cu, Zn, Ni, Cd, Co, Sb, Sn, Bi, Hg. В прикладных работах к числу
тяжелых металлов чаще всего добавляют Pt, Ag, W, Fe, Au, Mn.
Ионы металлов являются непременными компонентами природных
водоемов. В зависимости от условий среды (pH, окислительновосстановительного потенциала, наличия лигандов) они существуют в
разных степенях окисления и входят в состав разнообразных неорганических
и металлорганических соединений, которые могут быть истинно
растворенными, коллоидно-дисперсными или входить в состав минеральных
и органических взвесей.
Истинно растворенные формы металлов, в свою очередь, весьма
разнообразны, что связано с процессами гидролиза, гидролитической
полимеризации (образованием полиядерных гидроксокомплексов) и
комплексообразования с различными лигандами. Соответственно, как
каталитические свойства металлов, так и доступность для водных
микроорганизмов зависят от форм существования их в водной экосистеме.
Многие металлы образуют довольно прочные комплексы с
органическими соединениями; эти комплексы являются одной из важнейших
форм миграции элементов в природных водах. Большинство органических
комплексов образуются по хелатному механизму и являются устойчивыми.
Комплексы, образуемые почвенными кислотами с солями железа, алюминия,
титана, урана, ванадия, меди, молибдена и других тяжелых металлов,
относительно хорошо растворимы в условиях нейтральной, слабокислой и
слабощелочной сред. Поэтому металлорганические комплексы способны
мигрировать в природных водах на весьма значительные расстояния.
Особенно важно это для маломинерализованных и в первую очередь
поверхностных вод, в которых образование других комплексов невозможно.
Для понимания факторов, которые регулируют концентрацию металла
в природных водах, их химическую реакционную способность,
биологическую доступность и токсичность, необходимо знать не только
валовое содержание, но и долю свободных и связанных форм металла.
Переход металлов в водной среде в металлокомплексную форму имеет
три следствия:
может происходить увеличение суммарной концентрации ионов
металла за счет перехода его в раствор из донных отложений;
мембранная проницаемость комплексных ионов может существенно
отличаться от проницаемости гидратированных ионов;
токсичность металла в результате комплексообразования может сильно
измениться.
Так, хелатные формы Cu, Cd, Hg менее токсичны, нежели свободные
ионы. Для понимания факторов, которые регулируют концентрацию
металлов в природных их химическую реакционную способность,
биологическую доступность и токсичность, необходимо знать не только
валовое содержание, но и долю связанных и свободных форм.
Источниками загрязнения вод тяжелыми металлами служат сточные
воды
гальванических
цехов,
предприятий
горнодобывающей
промышленности, черной и цветной металлургии, машиностроительных
заводов. Тяжелые металлы входят в состав удобрений и пестицидов и могут
попадать в водоемы вместе со стоком с сельскохозяйственных угодий.
Повышение концентраций тяжелых металлов в природных водах
часто связано с другими видами загрязнения, например, с закислением.
Выпадение кислотных осадков способствует снижению рН и переходу
металлов из сорбированного (на минеральных и органических веществах)
состояния в свободное.
Ванадий
Ванадий находится преимущественно в рассеянном состоянии и
обнаруживается в железных рудах, нефти, асфальтах, битумах, горючих
сланцах, углях и др. Одним из главных источников загрязнения природных
вод ванадием являются нефть и продукты ее переработки.
В природных водах встречается в очень малой концентрации: в воде
рек 0,2 - 4,5 мкг/дм3, в морской воде - в среднем 2 мкг/дм3
В воде образует устойчивые анионные комплексы (V4O12)4- и (V10O26)6. В миграции ванадия существенна роль растворенных комплексных
соединений его с органическими веществами, особенно с гумусовыми
кислотами.
Повышенные концентрации ванадия вредны для здоровья человека.
ПДКв ванадия составляет 0,1 мг/дм3 (лимитирующий показатель вредности санитарно-токсикологический), ПДКвр - 0,001 мг/дм3 (лимитирующий
показатель вредности - токсикологический).
Висмут
Естественными источниками поступления висмута в природные воды
являются процессы выщелачивания висмутсодержащих минералов.
Источником поступления в природные воды могут быть также сточные воды
фармацевтических и парфюмерных производств, некоторых предприятий
стекольной промышленности.
В
незагрязненных
поверхностных
водах
содержится
в
субмикрограммовых концентрациях. Наиболее высокая концентрация
обнаружена в подземных водах и составляет 20 мкг/дм3, в морской воде 0,02 мкг/дм3.
ПДКв висмута составляет 0,1 мг/дм3 (лимитирующий показатель
вредности - санитарно-токсикологический).
Железо
Главными источниками соединений железа в поверхностных водах
являются
процессы
химического
выветривания
горных
пород,
сопровождающиеся их механическим разрушением и растворением. В
процессе взаимодействия с содержащимися в природных водах
минеральными и органическими веществами образуется сложный комплекс
соединений железа, находящихся в воде в растворенном, коллоидном и
взвешенном состояниях. Значительные количества железа поступают с
подземным стоком и со сточными водами предприятий металлургической,
металлообрабатывающей, текстильной, лакокрасочной промышленности и с
сельскохозяйственными стоками.
Фазовые равновесия зависят от химического состава вод, рН, Eh и в
некоторой степени от температуры. В рутинном анализе во взвешенную
форму выделяют частицы с размером более 0,45 мкм. Она представлена
преимущественно железосодержащими минералами, гидратом оксида железа
и соединениями железа, сорбированными на взвесях. Истинно растворенную
и коллоидную форму обычно рассматривают совместно. Растворенное
железо представлено соединениями, находящимися в ионной форме, в виде
гидроксокомплексов и комплексов с растворенными неорганическими и
органическими веществами природных вод. В ионной форме мигрирует
главным образом Fe(II), а Fe(III) в отсутствии комплексообразующих
веществ не может в значительных количествах находиться в растворенном
состоянии.
Железо обнаруживается в основном в водах с низкими значениями Eh.
В результате химического и биохимического (при участии
железобактерий) окисления Fe(II) переходит в Fe(III), которое,
гидролизуясь, выпадает в осадок в виде Fe(OH)3. Как для Fе(II), так и для
Fe(III) характерна склонность к образованию гидроксокомплексов типа
[Fe(OH)2]+,
[Fe2(OH)2]4+,
[Fe2(OH)3]3+,
[Fe(OH)3]и
других,
сосуществующих в растворе в разных концентрациях в зависимости от рН и
в целом определяющих состояние системы железо-гидроксил. Основной
формой нахождения Fe(III) в поверхностных
водах являются его
комплексные
соединения
с
растворенными
неорганическими
и
органическими соединениями, главным образом гумусовыми веществами.
При рН = 8,0 основной формой является Fe(OH)3. Коллоидная форма железа
наименее изучена, она представляет собой гидрат оксида железа Fe(OH)3 и
комплексы с органическими веществами.
Содержание железа в поверхностных водах суши составляет десятые
доли миллиграмма в 1 дм3, вблизи болот - единицы миллиграммов в 1 дм3.
Повышенное содержание железа наблюдается в болотных водах, в которых
оно находится в виде комплексов с солями гуминовых кислот - гуматами.
Наибольшие концентрации железа (до нескольких десятков и сотен
миллиграммов в 1 дм3) наблюдаются в подземных водах с низкими
значениями рН.
Являясь биологически активным элементом, железо в определенной
степени влияет на интенсивность развития фитопланктона и качественный
состав микрофлоры в водоеме. Концентрация железа подвержена заметным
сезонным колебаниям. Обычно в водоемах с высокой биологической
продуктивностью в период летней и зимней стагнации заметно увеличение
концентрации железа в придонных слоях
воды. Осенне-весеннее
перемешивание водных масс (гомотермия) сопровождается окислением
Fe(II) в Fе(III) и выпадением последнего в виде Fe(OH)3.
Содержание железа в воде выше 1-2 мг Fe/дм3 значительно ухудшает
органолептические свойства, придавая ей неприятный вяжущий вкус, и
делает воду малопригодной для использования в технических целях.
ПДКв железа составляет 0,3 мг Fe/дм3 (лимитирующий показатель
вредности - органолептический), ПДКвр - 0,1 мг/дм3 (лимитирующий
показатель вредности - токсикологический).
Кадмий
В природные
воды поступает при выщелачивании почв,
полиметаллических и медных руд, в результате разложения водных
организмов, способных его накапливать. Соединения кадмия выносятся в
поверхностные воды со сточными водами свинцово-цинковых заводов,
рудообогатительных фабрик, ряда химических предприятий (производство
серной кислоты), гальванического производства, а также с шахтными
водами. Понижение концентрации растворенных соединений кадмия
происходит за счет процессов сорбции, выпадения в осадок гидроксида и
карбоната кадмия и потребления их водными организмами.
Растворенные формы кадмия в природных водах представляют собой
главным образом минеральные и органо-минеральные комплексы. Основной
взвешенной формой кадмия являются его сорбированные соединения.
Значительная часть кадмия может мигрировать в составе клеток
гидробионтов.
В речных незагрязненных и слабозагрязненных водах кадмий
содержится в субмикрограммовых концентрациях, в загрязненных и сточных
водах концентрации кадмия может достигать десятков микрограммов в 1
дм3.
Соединения
кадмия
играют
важную
роль
в
процессе
жизнедеятельности животных и человека. В повышенных концентрациях
токсичен, особенно в сочетании с другими токсичными веществами.
ПДКв кадмия составляет 0,001 мг/дм3 (лимитирующий показатель
вредности - санитарно-токсикологический), ПДКвр - 0,0005 мг/дм3
(лимитирующий показатель вредности - токсикологический).
Кобальт
В природные воды соединения кобальта попадают в результате
процессов выщелачивания их из медноколчедановых и других руд, из почв
при разложении организмов и растений, а также со сточными водами
металлургических, металлообрабатывающих и химических заводов.
Некоторые количества кобальта поступают из почв в результате разложения
растительных и животных организмов.
Соединения кобальта в природных водах находятся в растворенном и
взвешенном состоянии, количественное соотношение между которыми
определяется химическим составом воды, температурой и значениями рН.
Растворенные
формы представлены
в
основном комплексными
соединениями, в том числе с органическими веществами природных вод.
Соединения двухвалентного кобальта наиболее характерны для
поверхностных вод. В присутствии окислителей возможно существование в
заметных концентрациях трехвалентного кобальта.
Кобальт относится к числу биологически активных элементов и всегда
содержится в организме животных и в растениях. С недостаточным
содержанием его в почвах связано недостаточное содержание кобальта в
растениях, что способствует развитию малокровия у животных (таежнолесная нечерноземная зона). Входя в состав витамина В12, кобальт весьма
активно влияет на поступление азотистых веществ, увеличение содержания
хлорофилла и аскорбиновой кислоты, активизирует биосинтез и повышает
содержание белкового азота в растениях. Вместе с тем повышенные
концентрации соединений кобальта являются токсичными.
В речных незагрязненных и слабозагрязненных водах его содержание
колеблется от десятых до тысячных долей миллиграмма в 1 дм3, среднее
содержание в морской воде 0,5 мкг/дм3.
ПДКв кобальта составляет 0,1 мг/дм3 (лимитирующий показатель
вредности - санитарно-токсикологический), ПДКвр - 0,01 мг/дм3
(лимитирующий показатель вредности - токсикологический).
Марганец
В поверхностные
воды марганец поступает в результате
выщелачивания железомарганцевых руд и других минералов, содержащих
марганец (пиролюзит, псиломелан, браунит, манганит, черная охра).
Значительные количества марганца поступают в процессе разложения
водных животных и растительных организмов, особенно сине-зеленых,
диатомовых водорослей и высших водных растений. Соединения марганца
выносятся в водоемы со сточными водами марганцевых обогатительных
фабрик,
металлургических
заводов,
предприятий
химической
промышленности и с шахтными водами.
Понижение концентрации ионов марганца в природных
водах
происходит в результате окисления Mn(II) до MnO2 и других
высоковалентных оксидов, выпадающих в осадок. Основные параметры,
определяющие реакцию окисления, - концентрация растворенного
кислорода, величина рН и температура. Концентрации растворенных
соединений марганца понижается вследствие утилизации их водорослями.
Главная форма миграции соединений марганца в поверхностных водах
- взвеси, состав которых определяется в свою очередь составом пород,
дренируемых водами, а также коллоидные гидроксиды тяжелых металлов и
сорбированные соединения марганца. Существенное значение в миграции
марганца в растворенной и коллоидной формах имеют органические
вещества и процессы комплексообразования марганца с неорганическими и
органическими лигандами. Mn(II) образует растворимые комплексы с
бикарбонатами и сульфатами. Комплексы марганца с ионом хлора
встречаются редко. Комплексные соединения Mn(II) с органическими
веществами (аминами, органическими кислотами, аминокислотами и
гумусовыми веществами) обычно менее прочны, чем аналогичные
соединения с другими переходными металлами. Mn(III) в повышенных
концентрациях может находиться в растворенном состоянии только в
присутствии сильных комплексообразователей, Mn(VII) в природных водах
не встречается.
В речных водах содержание марганца колеблется обычно от 1 до 160
мкг/дм3, среднее содержание в морских водах составляет 2 мкг/дм3, в
подземных - n·102-n·103 мкг/дм3.
Концентрация марганца в поверхностных водах подвержена сезонным
колебаниям.
Факторами, определяющими изменениям концентраций марганца,
являются соотношение между поверхностным и подземным стоком,
интенсивность
потребления
его
при
фотосинтезе,
разложение
фитопланктона, микроорганизмов и высшей водной растительности, а также
процессы осаждения его на дно водных объектов.
Роль марганца в жизни высших растений и водорослей водоемов
весьма велика. Марганец способствует утилизации CO2 растениями, чем
повышает интенсивность фотосинтеза, участвует в процессах восстановления
нитратов и ассимиляции азота растениями. Марганец способствует переходу
активного Fe(II) в Fe(III), что предохраняет клетку от отравления, ускоряет
рост организмов и т.д. Важная экологическая и физиологическая роль
марганца вызывает необходимость изучения марганца и его распределения в
природных водах.
Для марганца ПДКв (по иону марганца) установлена 0,1 мг/дм3
(лимитирующий показатель вредности - органолептический), ПДКвр - 0,01
мг/дм3 (лимитирующий показатель вредности - токсикологический).
Медь
Медь - один из важнейших микроэлементов. Физиологическая
активность меди связана главным образом с включением ее в состав
активных
центров
окислительно-восстановительных
ферментов.
Недостаточное содержание меди в почвах отрицательно влияет на синтез
белков, жиров и витаминов и способствует бесплодию растительных
организмов. Медь участвует в процессе фотосинтеза и влияет на усвоение
азота растениями. Вместе с тем избыточные концентрации меди оказывают
неблагоприятное воздействие на растительные и животные организмы.
Содержание меди в природных пресных водах колеблется от 2 до 30
мкг/дм3, в морских водах - от 0,5 до 3,5 мкг/дм3. Повышенные концентрации
меди (до нескольких граммов в 1 дм3) характерны для кислых рудничных
вод.
В природных водах наиболее часто встречаются соединения Cu(II). Из
соединений Cu(I) наиболее распространены труднорастворимые в воде
Cu2O, Cu2S, CuCl. При наличии в водной среде лигандов наряду с
равновесием диссоциации гидроксида необходимо учитывать образование
различных комплексных форм, находящихся в равновесии с акваионами
металла.
Основным источником поступления меди в природные воды являются
сточные
воды
предприятий
химической,
металлургической
промышленности, шахтные воды, альдегидные реагенты, используемые для
уничтожения водорослей. Медь может появляться в результате коррозии
медных трубопроводов и других сооружений, используемых в системах
водоснабжения. В подземных
водах присутствие меди обусловлено
взаимодействием
воды с медьсодержащими горными породами
(халькопирит, халькозин, ковеллин, борнит, малахит, азурит, хризаколла,
бротантин).
Для меди ПДКв (по иону меди) установлена 1 мг/дм3 (лимитирующий
показатель вредности - органолептический), ПДКвр - 0,001 мг/дм3
(лимитирующий показатель вредности - токсикологический).
Молибден
Соединения молибдена попадают в поверхностные воды в результате
выщелачивания их из экзогенных минералов, содержащих молибден.
Молибден попадает в водоемы также со сточными водами обогатительных
фабрик, предприятий цветной металлургии. Понижение концентрации
соединений молибдена происходит в результате выпадения в осадок
труднорастворимых соединений, процессов адсорбции минеральными
взвесями и потребления растительными водными организмами.
Молибден в поверхностных водах находится в основном в форме
МоО42-. Весьма вероятно существование его в виде органоминеральных
комплексов. Возможность некоторого накопления в коллоидном состоянии
вытекает из того факта, что продукты окисления молибденита представляют
рыхлые тонкодисперсные вещества.
В речных водах молибден обнаружен в концентрациях от 2,1 до 10,6
мкг/дм3. В морской воде содержится в среднем 10 мкг/дм3 молибдена.
В малых количествах молибден необходим для нормального развития
растительных и животных организмов. Молибден входит в состав фермента
ксантиноксидазы. При дефиците молибдена фермент образуется в
недостаточном количестве, что вызывает отрицательные реакции организма.
В повышенных концентрациях молибден вреден. При избытке молибдена
нарушается обмен веществ.
Для молибдена ПДКв установлена 0,25 мг/дм3 (лимитирующий
показатель вредности - санитарно-токсикологический), ПДКвр - 0,0012
мг/дм3 (лимитирующий показатель вредности - токсикологический).
Мышьяк
В природные воды мышьяк поступает из минеральных источников,
районов мышьяковистого оруднения (мышьяковый колчедан, реальгар,
аурипигмент), а также из зон окисления пород полиметаллического, меднокобальтового и вольфрамового типов. Некоторое количество мышьяка
поступает из почв, а также в результате разложения растительных и
животных организмов. Потребление мышьяка водными организмами
является одной из причин понижения концентрации его в воде, наиболее
отчетливо проявляющегося в период интенсивного развития планктона.
Значительные количества мышьяка поступают в водные объекты со
сточными водами обогатительных фабрик, отходами производства
красителей, кожевенных заводов и предприятий, производящих пестициды, а
также с сельскохозяйственных угодий, на которых применяются пестициды.
В природных водах соединения мышьяка находятся в растворенном и
взвешенном состоянии, соотношение между которыми определяется
химическим составом воды и значениями рН. В растворенной форме
мышьяк встречается в трех- и пятивалентной форме, главным образом в виде
анионов.
В речных незагрязненных
водах мышьяк находится обычно в
микрограммовых концентрациях. В минеральных водах его концентрация
может достигать нескольких миллиграммов в 1 дм3, в морских водах в
среднем содержится 3 мкг/дм3, в подземных - встречается в концентрациях
n·105 мкг/дм3. Соединения мышьяка в повышенных концентрациях являются
токсичными для организма животных и человека: они тормозят
окислительные процессы, угнетают снабжение кислородом органов и тканей.
ПДКв мышьяка составляет 0,05 мг/дм3 (лимитирующий показатель
вредности - санитарно-токсикологический), ПДКвр - 0,05 мг/дм3
(лимитирующий показатель вредности - токсикологический)
Никель
Присутствие никеля в природных водах обусловлено составом пород,
через которые проходит вода: он обнаруживается в местах месторождений
сульфидных медно-никелевых руд и железоникелевых руд. В воду попадает
из почв и из растительных и животных организмов при их распаде.
Повышенное по сравнению с другими типами водорослей содержание никеля
обнаружено в сине-зеленых водорослях. Соединения никеля в водные
объекты поступают также со сточными водами цехов никелирования,
заводов синтетического каучука, никелевых обогатительных фабрик.
Значительные выбросы никеля сопровождают сжигание ископаемого
топлива. Концентрация его может понижаться в результате выпадения в
осадок таких соединений, как цианиды, сульфиды, карбонаты или
гидроксиды (при повышении рН), за счет потребления его водными
организмами и процессов адсорбции.
В поверхностных водах соединения никеля находятся в растворенном,
взвешенном и коллоидном состояниях, количественное соотношение между
которыми зависит от состава воды, температуры и значений рН. Сорбентами
соединений никеля могут быть гидроксид железа, органические вещества,
высокодисперсный карбонат кальция, глины. Растворенные формы
соединений никеля представляют собой главным образом комплексные
ионы, наиболее часто с аминокислотами, гуминовыми и фульвокислотами, а
также в виде прочного цианидного комплекса. Наиболее распространены в
природных водах соединения никеля, в которых он находится в степени
окисления +2. Соединения Ni3+ образуются обычно в щелочной среде.
Соединения никеля играют важную роль в кроветворных процессах,
являясь катализаторами. Повышенное его содержание оказывает
специфическое действие на сердечно-сосудистую систему. Никель
принадлежит к числу канцерогенных элементов. Он способен вызывать
респираторные заболевания. Считается, что свободные ионы никеля (Ni2+)
примерно в 2 раза более токсичны, чем его комплексные соединения.
В речных незагрязненных и слабозагрязненных водах концентрация
никеля колеблется обычно от 0,8 до 10 мкг/дм3; в загрязненных она
составляет несколько десятков микрограммов в 1 дм3. Средняя концентрация
никеля в морской воде 2 мкг/дм3, в подземных водах - n·103 мкг/дм3. В
подземных водах, омывающих никельсодержащие горные породы,
концентрация никеля иногда возрастает до 20 мг/дм3.
ПДКв никеля составляет 0,1 мг/дм3 (лимитирующий показатель
вредности - санитарно-токсикологический), ПДКвр - 0,01 мг/дм3
(лимитирующий показатель вредности - токсикологический).
Олово
В природные воды поступает в результате процессов выщелачивания
оловосодержащих минералов (касситерит, станнин), а также со сточными
водами различных производств (крашение тканей, синтез органических
красок, производство сплавов с добавкой олова и др.).
Токсическое действие олова невелико.
В незагрязненных поверхностных водах олово содержится в
субмикрограммовых концентрациях. В подземных водах его концентрация
достигает единиц микрограммов в 1 дм3.
ПДКв олова составляет 2 мг/дм3
Ртуть
В поверхностные воды соединения ртути могут поступать в результате
выщелачивания пород в районе ртутных месторождений (киноварь,
метациннабарит, ливингстонит), в процессе разложения водных организмов,
накапливающих ртуть. Значительные количества поступают в водные
объекты со сточными водами электролизных производств, предприятий,
производящих красители, пестициды, фармацевтические препараты,
некоторые взрывчатые вещества. Тепловые электростанции, работающие на
угле, выбрасывают в атмосферу значительные количества соединений ртути,
которые в результате мокрых и сухих выпадений попадают в водные
объекты.
Понижение концентрации растворенных соединений ртути происходит
в результате извлечения их многими
морскими и пресноводными
организмами, обладающими способностью накапливать ее в концентрациях,
во много раз превышающих содержание ее в воде, а также в результате
процессов адсорбции взвешенными веществами и донными отложениями.
В поверхностных водах соединения ртути находятся в растворенном и
взвешенном состоянии. Соотношение между ними зависит от химического
состава воды и значений рН. Взвешенная ртуть представляет собой
сорбированные соединения ртути. Растворенными формами являются
недиссоциированные молекулы, комплексные органические и минеральные
соединения. В воде водных объектов ртуть может находиться в виде
метилртутных соединений.
Содержание ртути в речных незагрязненных и слабозагрязненных
водах составляет несколько десятых долей микрограмма в 1 дм3, средняя
концентрация в морской воде 0,03 мкг/дм3, в подземных водах 1-3 мкг/дм3.
Соединения ртути высоко токсичны, они поражают нервную систему
человека, вызывают изменение слизистой оболочки, нарушение
двигательной функции и секреции желудочно-кишечного тракта, изменения
в крови и др. Бактериальные процессы метилирования направлены на
образование метилртутных соединений, которые во много раз токсичнее
минеральных солей ртути. Метилртутные соединения накапливаются в
пищевых цепях (например, фитопланктон-зоопланктон-рыба) и могут
попадать в организм человека.
ПДКв ртути составляет 0,0005 мг/дм3 (лимитирующий показатель
вредности - санитарно-токсикологический), ПДКвр - 0,0001 мг/дм3
(лимитирующий показатель вредности - токсикологический).
Свинец
Естественными источниками поступления свинца в поверхностные
воды являются процессы растворения эндогенных (галенит) и экзогенных
(англезит, церуссит и др.) минералов. Значительное повышение содержания
свинца в окружающей среде (в т.ч. и в поверхностных водах) связано с
сжиганием углей, с применением тетраэтилсвинца в качестве антидетонатора
в моторном топливе, с выносом в водные объекты со сточными водами
рудообогатительных фабрик, некоторых металлургических заводов,
химических производств, шахт и т.д. Существенными факторами понижения
концентрации свинца в воде является адсорбция его взвешенными
веществами и осаждение с ними в донные отложения. В числе других
металлов свинец извлекается и накапливается гидробионтами.
Свинец находится в природных водах в растворенном и взвешенном
(сорбированном) состоянии. В растворенной форме встречается в виде
минеральных и органоминеральных комплексов, а также простых ионов, в
нерастворимой - главным образом в виде сульфидов, сульфатов и
карбонатов.
В речных водах концентрация свинца колеблется от десятых долей до
единиц микрограммов в 1 дм3. Даже в воде водных объектов, прилегающих
к районам полиметаллических руд, концентрация его редко достигает
десятков миллиграммов в 1 дм3. Лишь в хлоридных термальных водах
концентрация свинца иногда достигает нескольких миллиграммов в 1 дм3.
Свинец - промышленный яд, способный при неблагоприятных
условиях оказаться причиной отравления. В организм человека проникает
главным образом через органы дыхания и пищеварения. Удаляется из
организма очень медленно, вследствие чего накапливается в костях, печени и
почках.
ПДКв свинца составляет 0,03 мг/дм3 (лимитирующий показатель
вредности - санитарно-токсилогический), ПДКвр - 0,01 мг/дм3
(лимитирующий показатель вредности - токсилогический).
Тетраэтилсвинец
Тетраэтилсвинец поступает в природные
воды в связи с
использованием в качестве антидетонатора в моторном топливе водных
транспортных средств, а также с поверхностным стоком с городских
территорий.
Данное вещество характеризуется высокой токсичностью, обладает
кумулятивными свойствами.
Содержание тетраэтилсвинца в воде
водоемов хозяйственнопитьевого, культурно-бытового и рыбохозяйственного назначения не
допускается.
Серебро
Источниками поступления серебра в поверхностные воды служат
подземные воды и сточные воды рудников, обогатительных фабрик,
фотопредприятий. Повышенное содержание серебра бывает связано с
применением бактерицидных и альгицидных препаратов.
В сточных водах серебро может присутствовать в растворенном и
взвешенном состоянии, большей частью в форме галоидных солей.
В незагрязненных поверхностных
водах серебро находится в
субмикрограммовых концентрациях. В подземных водах концентрация
серебра колеблется от единиц до десятков микрограммов в 1 дм3, в морской
воде - в среднем 0,3 мкг/дм3.
Ионы серебра способны уничтожать бактерии и уже в незначительной
концентрации стерилизуют воду (нижний предел бактерицидного действия
ионов серебра 2·10-11 моль/дм3). Роль серебра в организме животных и
человека изучена недостаточно.
ПДКв серебра составляет 0,05 мг/дм3 (лимитирующий показатель
вредности - санитарно-токсилогический).
Сурьма
Сурьма поступает в поверхностные воды за счет выщелачивания
минералов сурьмы (стибнит, сенармонтит, валентинит, сервантит,
стибиоканит) и со сточными водами резиновых, стекольных, красильных,
спичечных предприятий.
В природных водах соединения сурьмы находятся в растворенном и
взвешенном состояниях. В окислительно-восстановительных условиях,
характерных для поверхностных вод, возможно существование как
трехвалентной, так и пятивалентной сурьмы.
В незагрязненных поверхностных
водах сурьма находится в
субмикрограммовых концентрациях, в морской воде ее концентрация
достигает 0,5 мкг/дм3, в подземных водах - 10 мкг/дм3.
ПДКв сурьмы составляет 0,05 мг/дм3 (лимитирующий показатель
вредности - санитарно-токсикологический), ПДКвр - 0,01 мг/дм3.
Хром
В поверхностные воды соединения трех- и шестивалентного хрома
попадают в результате выщелачивания из пород (хромит, крокоит, уваровит
и др.). Некоторые количества поступают из почв, в процессе разложения
организмов и растений. Значительные количества могут поступать в водоемы
со сточными водами гальванических цехов, красильных цехов текстильных
предприятий,
кожевенных
заводов
и
предприятий
химической
промышленности. Понижение
концентрации ионов хрома может
наблюдаться в результате потребления их водными организмами и процессов
адсорбции.
В поверхностных водах соединения хрома находятся в растворенном и
взвешенном состояниях, соотношение между которыми зависит от состава
вод, температуры, рН раствора. Взвешенные соединения хрома
представляют собой в основном сорбированные соединения хрома.
Сорбентами могут быть глины, гидроксид железа, высокодисперсный
оседающий карбонат кальция, остатки растительных и животных
организмов. В растворенной форме хром может находиться в виде хроматов
и бихроматов. При аэробных условиях Cr(VI) переходит в Cr(III), соли
которого в нейтральной и щелочной средах гидролизуются с выделением
гидроксида.
В речных незагрязненных и слабозагрязненных водах содержание
хрома колеблется от нескольких десятых долей микрограмма до нескольких
микрограммов в 1 дм3, в загрязненных водоемах оно достигает нескольких
десятков и сотен микрограммов в 1 дм3. Средняя концентрация в морских
водах - 0,05 мкг/дм3, в подземных водах - обычно в пределах n·10-n·102
мкг/дм3.
Соединения Cr(VI) и Cr(III) в повышенных количествах обладают
канцерогенными свойствами. Соединения Cr(VI) являются более опасными.
ПДКв для Cr(VI) 0,05 мг/дм3, для Cr(III) - 0,5 мг/дм3 (лимитирующий
показатель вредности - санитарно-токсикологический); ПДКвр для Cr(VI) 0,001 мг/дм3, для Cr(III) - 0,005 мг/дм3 (лимитирующий показатель
вредности - токсикологический).
Цинк
Цинк попадает в природные воды в результате протекающих в природе
процессов разрушения и растворения горных пород и минералов (сфалерит,
цинкит, госларит, смитсонит, каламин), а также со сточными водами
рудообогатительных фабрик и гальванических цехов, производств
пергаментной бумаги, минеральных красок, вискозного волокна и др.
В воде цинк существует главным образом в ионной форме или в форме
его минеральных и органических комплексов, иногда встречается в
нерастворимых формах: в виде гидроксида, карбоната, сульфида и др.
В речных водах концентрация цинка обычно колеблется от 3 до 120
мкг/дм3, в морских - от 1,5 до 10 мкг/дм3. Содержание в рудных и особенно
в шахтных водах с низкими значениями рН может быть значительным.
Цинк относится к числу активных микроэлементов, влияющих на рост
и нормальное развитие организмов. В то же время многие соединения цинка
токсичны, прежде всего его сульфат и хлорид.
ПДКв Zn2+ составляет 1 мг/дм3 (лимитирующий показатель вредности общесанитарный), ПДКвр Zn2+ - 0,01 мг/дм3 (лимитирующий показатель
вредности - токсикологический).[8]
Тяжелые металлы оказывают угнетающее действие на рост
фитопланктона – мельчайших водорослей, рассеянных в верхнем горизонте
воды, проницаемом для солнечных лучей. Особенно пагубны соединения
ртути. При ее концентрации 50 мкг/л фотосинтез некоторых видов
фитопланктона практически прекращается. При таких же концентрациях
меди и кадмия интенсивность фотосинтеза равна соответственно 30 и 70 %
по отношению к ее величине в незагрязненной воде. Рост содержания
кобальта до 100 мкг/л никоим образом не отражается на жизнедеятельности
фитопланктона, а поступление цинка сначала даже усиливает биологическую
продуктивность, но при дальнейшем росте содержания металла она начинает
падать.
Фитопланктон – это то основание, тот фундамент, на котором держится
вся разнообразная жизнь моря. Это начальное звено в цепи питания. Мелкие
морские водоросли – корм для рачков, которые, в свою очередь, поедаются
рыбой; большая рыба пожирает малую… Ясно, что всякое неблагоприятное
влияние на первичную морскую продуктивность неизбежно отразится на
суммарной величине биологической продуктивности Мирового океана.
Уменьшение основания пирамиды уменьшает ее объем.
Но фитопланктон – не только пища. Несмотря на то, что масса морских
микроскопических водорослей в несколько тысяч раз уступает наземной
растительности, фитопланктон благодаря быстрой смене поколений
производит больше кислорода, чем растения суши. Угнетение морского
фитопланктона может вызывать неблагоприятные сдвиги в кислородном
балансе воздушной оболочки Земли.
Тяжелые металлы поглощаются из воды живым веществом,
захватываются им, надолго удерживаются, включаются в биологический
круговорот.
При этом их содержание увеличивается в пищевых цепях по мере
перехода от планктона к хищным рыбам и млекопитающим. Возникают
концентрации, вредные для человека. Особенно тревожит высокое
содержание ртути в рыбах, которое в некоторых районах превзошло
предельно допустимые нормы.
Если концентрацию в воде принять за 1, то в фитопланктоне она
составляет уже 100-1000 единиц, в зоопланктоне- 1-5 тыс., в личинках
водных насекомых – 1-10 млрд., в рыбах, питающихся планктоном, - 5-10
млрд, в хищных рыбах – 40 млрд.
Среди негативных воздействий хозяйственной деятельности человека
на природу одно из первых мест занимает нарушение естественного баланса
токсичных для живых организмов тяжелых металлов.
Первичное звено трофической цепи водоемов – фототрофные
организмы, как правило, оказываются и основной мишенью токсичных
антропогенных воздействий. В многочисленных экофизиологических
лабораторных исследованиях отмечается высокая чувствительность
прокариотных и эукариотных клеток фототрофов к воздействию тяжелых
металлов. При этом многие культуры цианобактерий и микроводорослей,
обладая быстрыми физиологическими откликами на токсическое
воздействие, достаточно устойчивы, сохраняют жизнеспособность, а в случае
поступления в среду тяжелых металлов, могут вернуться в исходное
состояние. Подбор таких культур в качестве тест-обьектов, а также
выявление простых и надежных физиологических откликов в качестве тестпараметров – важнейшая задача в системе мониторинга загрязнения водной
среды тяжелыми металлами.
Сообщества водорослей-макрофитов и высших водных растений,
постоянно обитающих в прибрежной зоне водоемов под влиянием
антропогенных сбросов, испытывают неестественные сукцессии, которые
могут служить индикаторами загрязнений.
Организмы макрофитобентоса способны в больших количествах
накапливать тяжелые металлы и, отражая их сезонную и погодичную
динамику содержания в воде, могут быть использованы в качестве
биохимических мониторов загрязнения ими водной среды.
Известно, что в одном и том же месте обитания одновременно могут
существовать сотни популяций фитопланктона. При этом десятки из
сосуществующих видов принадлежат часто к одной таксономической группе
и почти не отличаются друг от друга своими трофическими
характеристиками и отношением к внешним факторам, то есть занимают
одну и ту же эконишу. Г.Хатчисон отметил, что такое видовое разнообразие
противоречит принципу конкурентного исключения Гаузе, и назвал это
явление «парадоксом фитопланктона». В качестве возможного объяснения
этого факта Хатчисон выдвигает гипотезу о том, что небольшие различия в
температурных нишах, оптимальном уровне инсоляции приводят к
чередованию периодов доминирования различных видов фитопланктона в
переменных внешних условиях.
В фитопланктоне Черного моря насчитывается 746 видов и
разновидностей водорослей, относящихся к семи отделам: диатомовым,
пирофитовым, золотистым, зеленым, синезеленым, желтозеленым и
эвгленовым. Более 40% всех планктонных водорослей – пресноводные.
Большое значение в планктоне черного моря имеют диатомовые
водоросли(342 вида и разновидностей), широко распространенные по всей
акватории моря. Максимального обилия они достигают в прибрежных
мелководных районах, так как большая их часть представлена
неритическими формами. Следующей значительной группой планктонных
водорослей являются пирофитовые, также распространенные по всему
морю(205 видов и разновидностей). Повсеместно и в значительном
количестве развиваются мелкие формы фитопланктона - золотистые
водоросли: кокколитофориды и силикофлагелляты (51 вид). Довольно
многочисленны и другие группы водорослей: зеленые – 91, синезеленые – 34
и эвгленовые – 17 видов.
В результате многолетних исследований выявлены и другие довольно
продуктивные участки моря. К ним можно отнести неритическую зону в
районе Севастополя, Судака, Карадага и даже отдельные районы открытого
моря (между мысами Херсонес и Тарханкут), значительно беднее
фитопланктоном оказался прибосфорский район Черного моря .
Толщина слоя обитания фитопланктона в открытых участках моря
достигает 200м, и даже 300м. Основное количество фитопланктона (56-90%)
в Черном море сосредоточено в верхней части эвфотической зоны в слое 050м. Вертикальное распределение фитопланктона тесно связано с
гидрологией моря, особенно в тех районах, где присутствуют разнородные
водные массы, заметно отличающиеся по температуре и солености (северозападная часть и прибосфорский район).
Молекулярными мишенями, то есть объектами атаки ионов тяжелых
металлов, служат: 1) гемсодержащие белки и ферменты; 2) системы
перекисного и свободнорадикального окисления липидов и белков, а также
системы антиоксидантной и антипероксидной защиты; 3) ферменты
транспорта электронов и синтеза АТФ; 4) белки клеточных мембран и
ионные каналы мембран. Ионы Pb, Hg, Со, Cd образуют прочные комплексы
с аминокислотами и другими биомолекулами, содержащими тио-(HS-) или
алкилтиогруппировки (RS-).
Многие комплексы металлов с органическими лигандами близки по
параметрам (размеру, распределению зарядов) к обычным субстратам
(аминокислотам, гормонам, нейромедиаторам) и поэтому могут связываться
с соответствующими рецепторами (эффект мимикрии). Например, комплекс,
образуемый ртутью и аминокислотой цистеином, имитирует аминокислоту
метионин, необходимую для биосинтеза адреналина и холина.
Другой механизм токсического действия заключается в замене
биометаллов в металлсодержащих биокомплексах, что вызывает потерю
последними биологической активности. Так, в результате замены иона Zn на
Hg или Рb происходит дезактивация участвующих в синтезе гема ферментов
карбоангидразы и аминолевулинатдегидратазы. Кроме того, ионы свинца,
кобальта и кадмия активируют фермент гемокиназу, разлагающий гем.
Потеря гема приводит к развитию анемии.
Токсический эффект тяжелых металлов связан также с нарушением
синтеза цитохрома Р-450, ответственного за биодеградацию ксенобиотиков.
Нарушение этой системы приводит к накоплению органических токсикантов
в тканях и органах. Однако цитохром Р-450 участвует в метаболизме не
только ксенобиотиков, но и эндогенных биологически активных веществ:
гормонов, катехоламинов, витаминов группы Д, холестерина. Поэтому
нарушение их синтеза или снижение активности может вызвать глубокие
нарушения метаболизма.
В случае ионов свинца, ртути, хрома, кадмия и других тяжелых
металлов отмечена активация перекисного и свободнорадикального
окисления. В результате этого повреждаются некоторые белки, нуклеиновые
кислоты, липиды, а также биомембраны. Повреждающий эффект объясняется
ингибированием металлами ферментов, защищающих организм от
накопления в нем Н2О2 . Пероксид водорода, в свою очередь, может давать
высокоактивный в реакциях окисления и потому обладающий
повреждающим действием свободный радикал гидроксила.
Массовый сброс бытовых стоков города и с судов, нефтяное
загрязнение, тяжелые металлы, пестициды и пластик, дампинг и разрушение
береговой полосы - все это ведет к уменьшению биоразнообразия и
нарушению
функционирования
морской
экосистемы.
Результаты
исследования этих процессов отражены в ряде монографий и большом
количестве статей, опубликованных сотрудниками Института биологии
южных морей НАН Украины.
Рекомендованная литература
1. Исидоров В.А. Экологическая химия / Исидоров В.А. – СПб. :
Химиздат, 2001. – 300 с.
2. Иванов А. Введение в океанографию / А.Иванов; пер. с
французского
Е.А.Плахина,
Е.М.Шифриной;
Под
Очаковского Ю.Е., Шифрина К.С. – М. : Мир, 1978. – 574 с.
ред.
Вопросы для самоконтроля усвоения материала.
1. Какие химические элементы относятся к тяжелым металлам.
2. Какое влияние на водные организмы оказывают металлы
геохимической группы железа?
3. Какое
влияние
на
экологические
условия
оказывают
присутствующие в морской воде свинец и ртуть.
4. Охарактеризуйте источники и особенности поведения в экосистеме
Черного моря урана.
5. Какое влияние на планктонные сообщества оказывает загрязнение
водной среды тяжелыми металлами.
Раздел Л8. Организационные и правовые средства охраны морской
среды , МАРПОЛ
Международная конвенция по предотвращению загрязнения с
судов (МАРПОЛ 73/78) (англ. International Convention for the Prevention of
Pollution from Ships, MARPOL 73/78) — международная конвенция,
предусматривающая комплекс мер по предотвращению эксплуатационного и
аварийного загрязнения моря с судов нефтью; жидкими веществами,
перевозимыми наливом; вредными веществами, перевозимыми в упаковке;
сточными водами; мусором; а также загрязнения воздушной среды с судов[1].
Предшественницей Конвенции МАРПОЛ 73/78 была Международная
конвенция по предотвращению загрязнения моря нефтью 1954 года
(OILPOL), вступившая в силу в 1958 году. Возрастающая роль морского
транспорта в загрязнении Мирового океана потребовала существенно
переработать, ужесточить и расширить положения Конвенции 1954 года.
Новая Конвенция по предотвращению загрязнения с судов (МАРПОЛ)
была принята под эгидой Международной морской организации (ИМО) в
1973 году. В 1978 году был принят Протокол, дополняющий Конвенцию
(англ. 1978 MARPOL Protocol). Конвенция с приложениями I и II вступила в
силу 2 октября 1983 г. В 1997 году был принят еще один Протокол к
Конвенции.
Приложение V вступило в силу в 1988 году, Приложение III в 1994
году, Приложение IV в 2003 году, а Приложение VI — в 2005 году.
Приложения к Конвенции МАРПОЛ продолжают периодически
пересматриваться и дополняться при активном участии Международной
морской организации.
В
настоящее
время
установленные
Конвенцией
распространяются более чем на 90% мирового торгового флота.
нормы
Основные положения Конвенции
Конвенция по предотвращению загрязнения с судов (МАРПОЛ 73/78)
состоит из собственно Конвенции и Протоколов к ней, где закрепляются
общие
положения
об
обязательствах
государств-участников
по
предотвращению загрязнения моря с судов, и шести Приложений к ней,
излагающих Правила относительно загрязнения моря конкретными
загрязняющими веществами: нефтью, вредными химическими веществами,
перевозимыми наливом, веществами, перевозимыми в упакованной форме,
сточными водами, мусором и загрязнения воздушной среды с судов.
Конвенция содержит уточняющие обязательства государств, под
флагом которых плавают суда, и государств, в водах которых осуществляется
международное судоходство, общие определения таких понятий как судно,
вредное вещество, сброс и другие, дополняемые в каждом из Приложений.
Судами в данном Конвенцией определении являются все суда, включая суда
на воздушной подушке и на подводных крыльях, подводные суда,
стационарные и плавучие платформы. Из сферы действия Конвенции
исключаются военные корабли и государственные некоммерческие суда,
однако участники должны обеспечить, чтобы они по возможности также
действовали в соответствии с Конвенцией.
Кроме того запрещается любое нарушение положений Конвенции в
пределах юрисдикции любого государства-участника Конвенции, и
предусматриваются
санкции
(наказания)
за
такое
нарушение,
устанавливаемые законодательством этого государства. В случае нарушений
в пределах его юрисдикции государство-участник либо само должно
возбудить преследование в соответствии со своим законодательством, либо
уведомить о совершении такого нарушения, с представлением фактов,
государство флага судна, которое в свою очередь обязано уведомить о
принятых мерах направившего ему первоначальную информацию участника
Конвенции. Санкции, в соответствии с Конвенцией, должны быть достаточно
строгими, чтобы пресекать нарушения.
В Статье 2 Конвенции даны Определения используемых в ней понятий
и терминов:
Для целей настоящей Конвенции, если специально не предусмотрено
иное:
1. "Правила" означают Правила, содержащиеся в Приложениях к
настоящей Конвенции.
2. "Вредное вещество" означает любое вещество, которое при
попадании в море способно создать опасность для здоровья людей,
причинить ущерб живым ресурсам, морской флоре и фауне, ухудшить
условия отдыха или помешать другим видам правомерного
использования моря, и включает любое вещество, подлежащее
контролю в соответствии с настоящей Конвенцией.
3. а) "Сброс" по отношению к вредным веществам или срокам,
содержащим такие вещества, означает любой сброс с судна, какими бы
причинами он не вызывался, и включает любую утечку, удаление,
разлив, протекание, откачку, выделение или опорожнение.
b) "Сброс" не включает:
(i) сброса в значении, предусмотренном Конвенцией по
предотвращению загрязнения моря сбросами отходов и других
материалов, заключенной в Лондоне 13 ноября 1972 г.;
(ii) выброса вредных веществ, происходящего непосредственно
вследствие разведки, разработки и связанных с ними процессов
обработки в море минеральных ресурсов морского дна;
или
(iii) сброса вредных веществ для проведения правомерных
научных исследований с целью борьбы с загрязнением или контроля
над ним.
4. "Судно" означает эксплуатируемое в морской среде судно
любого типа и включает суда на подводных крыльях, суда на
воздушной подушке, подводные суда, плавучие средства, а также
стационарные или плавучие платформы.
5. "Администрация" означает правительство Государства, по
уполномочию которого эксплуатируется судно. В отношении судна,
имеющего право плавания под флагом какого-либо Государства,
администрацией является правительство такого Государства. В
отношении стационарных или плавучих платформ, занятых разведкой
и разработкой поверхности и недр примыкающего к берегу морского
дна, над которым прибрежное Государство осуществляет суверенные
права в целях разведки и разработки их естественных богатств,
Администрацией
является
правительство
соответствующего
прибрежного Государства.
6. "Инцидент" означает событие, которое повлекло или может
повлечь сброс в море вредного вещества или стоков, содержащих такое
вещество.
7. "Организация" означает Межправительственную морскую
консультативную организацию.
В Статье 3 Конвенции оговаривается область ее применения.
Настоящая Конвенция применяется:
а) к судам, имеющим право плавания под флагом Стороны Конвенции;
и
b) судам, не имеющим права плавания под флагом Стороны
Конвенции, но эксплуатируемым под управлением такой Стороны.
2. Ничто в настоящей Статье не должно истолковываться как
ограничение или расширение суверенных прав Сторон на поверхность и
недра примыкающего к их берегам морского дна, осуществляемых в целях
разведки и разработки их естественных богатств в соответствии с
международным правом.
3. Настоящая Конвенция не применяется к любым военным кораблям,
военно-вспомогательным судам или иным судам, принадлежащим
государству или эксплуатируемым им и используемым в данное время
исключительно
для
правительственной
некоммерческой
службы.
Однако каждая Сторона путем принятия соответствующих мер, не
наносящих ущерба эксплуатации или эксплуатационным возможностям
таких кораблей и судов, принадлежащих ей или эксплуатируемых ею,
должна обеспечить, чтобы эти корабли и суда действовали, насколько это
целесообразно и практически возможно, таким образом, который совместим
с настоящей Конвенцией.
Конвенция в своей статье 4 предусматривает, что любое нарушение ее
положений, включая Приложения, запрещается независимо от места его
совершения, и за такое нарушение в законодательстве каждого государстваучастника Конвенции, под флагом которого плавает судно, должны
устанавливаться санкции (наказания).
В ст.5 Конвенции устанавливается обязательство взаимного признания
государствами-участниками выдаваемых судам Свидетельств (см. о
Международных свидетельствах в разделах по Приложениям), а также
предусматриваются положения об инспектировании судов на предмет
наличия Свидетельства на борту судна и задержании судов в случае их
явного несоответствия Свидетельству или при отсутствии последнего.
Статья 6 конвенции посвящена обнаружению нарушений и мерам
обеспечивающим ее выполнение. В частности декларируется, что Стороны
Конвенции сотрудничают в обнаружении нарушений и обеспечении
выполнения положений настоящей Конвенции, используя все подходящие и
практически доступные средства обнаружения и постоянного наблюдения за
окружающей средой, а также соответствующие способы передачи сообщений
и сбора доказательств.
2. Судно, к которому применяется настоящая Конвенция, в любом
порту или удаленном от берега терминале Стороны может быть подвергнуто
инспектированию
должностными
лицами,
назначенными
или
уполномоченными такой Стороной, чтобы проверить, не произвело ли такое
судно сброса вредных веществ в нарушение положений Правил. Если в
результате инспектирования будет обнаружено нарушение положения
Конвенции, то Администрации направляется об этом сообщение для
принятия соответствующих мер.
3. Каждая Сторона представляет Администрации доказательства, если
таковые имеются, того, что судно в нарушение положений Правил произвело
сброс вредных веществ или стоков, содержащих такие вещества. Если это
практически осуществимо, компетентные власти этой Стороны извещают
капитана судна о предполагаемом нарушении.
4. По получении таких доказательств Администрация производит
расследование дела и может просить другую Сторону представить
дополнительные или более убедительные доказательства предполагаемого
нарушения. Если Администрация убедится в наличии достаточных
доказательств, позволяющих возбудить преследование в отношении
предполагаемого нарушения, она дает распоряжение о возбуждении такого
преследования в соответствии со своим законодательством как можно
скорее. Администрация без промедления информирует о принятых ею мерах
Сторону, сообщившую о предполагаемом нарушении, а также Организацию.
5. Сторона может подвергнуть инспектированию судно, к которому
применяется Конвенция, когда оно заходит в порты или удаленные от берега
терминалы, находящиеся под ее юрисдикцией, если от другой Стороны
получена просьба о таком инспектировании вместе с достаточными
доказательствами того, что это судно произвело в каком-либо месте сброс
вредных веществ или стоков, содержащих такие вещества. Доклад о таком
инспектировании направляется Стороне, просившей об инспектировании, и
Администрации с тем, чтобы могли быть приняты соответствующие меры
согласно положениям настоящей Конвенции.
Статья 7 Ковенции посвящена регулированию
задержек судов.
необоснованных
При применении Статей 4, 5 и 6 настоящей Конвенции
принимаются все возможные меры для того, чтобы избежать
необоснованного задержания судна или необоснованной
отсрочки его отхода.
2.
Любое судно, которое было необоснованно задержано или отход
которого был необоснованно отсрочен на основании Статей 4, 5 и 6
настоящей Конвенции, имеет право на возмещение любых понесенных в
связи с этим убытков или ущерба.
1.
Статья 8. Сообщения об инцидентах, связанных со сбросом вредных
веществ.
1. Сообщение об инциденте передается без задержки и в возможно
более полном объеме в соответствии с положениями Протокола I настоящей
Конвенции.
2. Каждая Сторона Конвенции:
а) принимает все необходимые меры, чтобы соответствующее
должностное лицо или организация получали и анализировали все
сообщения об инцидентах, и
b) сообщает Организации полные данные о принятии таких мер для
направления другим Сторонам и Государствам - членам Организации.
3. Когда Сторона получает сообщение в соответствии с положениями
настоящей Статьи, такая Сторона без задержки передает его:
а) Администрации судна, с которым произошел инцидент, и
b) любому другому Государству, которое может быть им затронуто.
4. Каждая Сторона Конвенции обязуется дать инструкции своим судам
и самолетам морской инспекции и иным соответствующим службам
сообщать своим властям о любом инциденте, упомянутом в Протоколе I
настоящей Конвенции. Такая Сторона, если она найдет нужным, сообщает
Конвенция предусматривает сотрудничество государств-участников
Конвенции в выявлении нарушений Конвенции и порядок такого
сотрудничества, включая инспектирование судов, подозреваемых в
совершении нарушений (сбросов), информирование друг друга об
инцидентах, а также информирование Международной морской организации
о принятых законах и правилах, инцидентах, приемных сооружениях в
портах, наложенных на нарушителей санкциях, авариях, загрязнивших
окружающую среду и т.д (ст.11-12 Конвенции).
Приложение I — Правила предотвращения загрязнения нефтью.
Это Приложение в отношениях между государствами-участниками
МАРПОЛ заменило Конвенцию 1954 года. Для целей Приложения нефть
означает нефть в любом виде, включая сырую нефть, жидкое топливо,
нефтесодержащие осадки, нефтяные остатки и очищенные нефтепродукты
(не подпадающие под действие положений Приложения II к Конвенции), а
также вещества, перечисленные в дополнении I к Приложению I.
Приложение предусматривает жесткие ограничения на сброс нефти,
нефтяных остатков и пр. с танкеров валовой вместимостью более 150 и
других судов валовой вместимостью более 400 и полный запрет на сброс в
особых районах, которые указываются в Приложении, — в районах Черного,
Средиземного, Балтийского, Северного и Красного моря, а также районах
Персидского залива, Северо-Западной Европы, Антарктики и Карибского
моря[9]. Полный запрет на сброс нефтесодержащих вод существует только
для Антарктики. Для остальных мест сброс разрешен, но обставлен рядом
жестких условий! Приложение I также устанавливает правила
освидетельствования нефтяных танкеров валовой вместимостью более 150
тонн и других судов валовой вместимостью более 400 тонн и выдачи
Международного свидетельства о предотвращении загрязнения нефтью,
соответствующие требования к конструкции и оборудованию танкеров
(общие и в зависимости от года постройки), нормы ведения Журнала
нефтяных операций, а также контроль государства порта за выполнением
эксплуатационных требований, предъявляемых к судам.
Приложение II — Правила предотвращения загрязнения вредными
жидкими веществами, перевозимыми наливом.
Конвенция требует, чтобы танкеры-химовозы, построенные после 1 июля
1986 г., соответствовали правилам Международного кодекса по химовозам
(МКХ). Танкеры, построенные до этого времени, должны соответствовать
требованиям предшественника МКХ — Кодекса по химовозам.
Приложение II предусматривает деление перевозимых наливом
химических веществ на 4 категории (X, Y, Z и прочие вещества) в
зависимости от степени их токсичности и потенциального вреда, который их
сброс в результате очистки танков или слива балласта может причинить
морским ресурсам и здоровью человека[. Приложение устанавливает
максимальные концентрации вредных веществ при сбросе или полностью
запрещает такой сброс.
В Приложении II также устанавливаются правила освидетельствования
танкеров-химовозов и выдачи Международного свидетельства о
предотвращении загрязнения при перевозке вредных жидких веществ
наливом; нормы, относящиеся к оснащению таких судов насосами и
трубопроводами, используемыми при зачистке танков; требования к
инспектированию танкеров в порту; к приемным сооружениям порта; к
мерам по предотвращению инцидентов, связанных с жидкими химическим
веществами и т. д..
Приложение III — Правила предотвращения загрязнения вредными
веществами, перевозимыми морем в упаковке.
В Приложении III указывается, что «вредными веществами» являются
вещества, которые определены как загрязнители моря в Международном
кодексе морской перевозки опасных грузов (МКМПОГ). Приложение
предусматривает общие правила, относящиеся к упаковке, маркировке и
ярлыкам, документированию, размещению и предельным количествам
вредных веществ, перевозимых в упаковке. .
Приложение IV — Правила предотвращения загрязнения сточными
водами с судов
Приложение IV посвящено правилам, относящимся к сбросу сточных
вод с судов, оборудованию судов, предназначенному для контроля сброса
сточных вод, и приемным сооружениям для приема сточных вод в портах и
терминалах, а также правилам освидетельствования судов и выдачи
Международного свидетельства о предотвращении загрязнения сточными
водами.
Приложение V — Правила предотвращения загрязнения мусором с
судов
Мусор, указывается в Приложении V, означает все виды
продовольственных, бытовых и эксплуатационных отходов, которые
образуются в процессе нормальной эксплуатации судна и подлежат
постоянному или периодическому удалению, за исключением веществ,
приведенных в других Приложениях к настоящей Конвенции.
Приложение V устанавливает строгие ограничения на сброс мусора в
море в прибрежных водах и особых районах и полностью запрещает сброс
мусора из пластика. Приложение также предусматривает обеспечение
государствами-участниками приемных сооружений для мусора в портах и
терминалах. Особыми районами для целей Приложения являются Черное,
Средиземное, Балтийское, Северное и Красное моря, а также районы
Персидского залива, Антарктики, Карибского моря.[15].
Приложение VI — Правила предотвращения загрязнения воздушной
среды с судов.
Приложение VI предписывает меры по предотвращению загрязнения с
судов воздушной среды, в том числе озоноразрушающими веществами,
окислами азота, окислами серы, летучими органическими соединениями;
меры по освидетельствованию судов и выдаче Международного
свидетельства о предотвращении загрязнения воздушной среды; меры по
обеспечению портов и терминалов приемными сооружениями и контролю
государств порта за соответствующими эксплуатационными требованиями.
Протокол I
к Международной конвенции по предотвращению загрязнения с судов
1973
г.
"Положения, касающиеся сообщения об инцидентах, связанных со
сбросом вредных веществ (в соответствии со Статьей 8 Конвенции)"
(Лондон, 2 ноября 1973 г.)
Статья I.Обязанность давать сообщение.
1. Капитан судна, вовлеченного в один из инцидентов, о которых
упоминается в Статье III настоящего Протокола, или иное лицо, отвечающее
за судно, сообщает сведения о таком инциденте без задержки и в возможно
более полном объеме в соответствии с положениями настоящего Протокола.
2. В том случае, когда упомянутое в пункте 1 настоящей Статьи судно
покинуто или сообщение с судна является неполным либо его нельзя
получить, собственник, фрахтователь, управляющий, оператор судна или их
агенты должны в возможно более полном объеме взять на себя обязанности,
возлагаемые на капитана согласно положениям настоящего Протокола.
Статья II. Способы передачи сообщения.
1. Каждое сообщение, когда это возможно, передается по радио, но во
всяком случае - с помощью наиболее быстрого и доступного в момент
инцидента средства. Сообщения по радио передаются насколько возможно в
первую очередь.
2. Сообщения направляются соответствующему должностному лицу
или организации, упомянутым в подпункте а) пункта 2 Статьи 8 Конвенции.
Статья III Случаи, в которых даются сообщения.
Сообщение дается в любом случае, когда инцидент влечет:
а)
сброс
иной,
чем
разрешенный
настоящей
Конвенцией;
b) сброс, разрешенный настоящей Конвенцией в связи с тем, что:
(i) он произведен с целью обеспечения безопасности судна или спасения
человеческой жизни на море;
Или
(ii) он произошел в результате повреждения судна либо его оборудования;
с) сброс вредного вещества с целью борьбы с особым случаем загрязнения
или в целях проведения правомерных научных исследований по борьбе с
загрязнением
или
по
контролю
над
ним;
или
d) вероятность сбросов, упоминаемых в подпунктах а), b) или с) настоящей
Статьи.
Статья IV. Содержание сообщения
1.
Каждое
сообщение
должно
содержать,
a) данные, позволяющие идентифицировать судно;
как
правило:
b) дату и время инцидента;
c) координаты судна в момент инцидента;
d) состояние ветра и моря в момент инцидента;
e) данные о состоянии судна.
2.
Каждое
сообщение
должно
содержать
в
частности:
а) точное наименование или описание вредных веществ, вовлеченных в
инцидент, включая, если возможно, правильное техническое наименование
таких веществ (не следует использовать вместо правильного технического
наименования
коммерческое
название
веществ);
b) точное или приблизительное количество, концентрацию и возможное
состояние вредных веществ, которые были или, вероятно, могут быть
сброшены
в
море;
и,
в
соответствующем
случае,
c) описание упаковки и знаков маркировки; и, если возможно,
d) имя грузоотправителя, грузополучателя или изготовителя.
3. В каждом сообщении точно указывается, является ли вредное
вещество, которое было или, вероятно, может быть сброшено, нефтью,
ядовитым жидким, ядовитым твердым или ядовитым газообразным
веществом и перевозилось или перевозится ли оно наливом, насыпью или в
упаковке, в грузовых контейнерах, съемных танках или в автодорожных и
железнодорожных цистернах.
4. Каждое сообщение дополняется, если это необходимо любыми
другими относящимися к инциденту сведениями, о которых запрашивает
получатель сообщения или которые считает необходимым передать лицо,
дающее
сообщение.
Статья V.Дополнительное сообщение.
Лицо, обязанное в соответствии с положениями настоящего Протокола
давать
сообщение,
должно,
когда
это
возможно:
а) дополнить первоначальное сообщение, если необходимо, сведениями о
последующих событиях, и
b) в возможно более полном объеме удовлетворить просьбы затронутых
Государств о представлении дополнительных сведений, касающихся
инцидента.
Протокол II
к Международной конвенции по предотвращению загрязнения с судов
1973
г.
Арбитраж
(в соответствии со Статьей 10 Конвенции)
Статья I
Арбитражная процедура при условии, что спорящие Стороны не примут
иного решения, осуществляется в соответствии с положениями настоящего
Протокола.
Статья II
1. Третейский суд создается по просьбе одной из Сторон Конвенции,
адресованной другой, на основании Статьи 10 настоящей Конвенции.
Просьба об арбитраже должна содержать изложение существа дела с
приложением
подтверждающих
документов.
2. Обращающаяся с просьбой Сторона сообщает Генеральному секретарю
Организации о том, что она заявила просьбу о создании Суда, о других
спорящих Сторонах и о Статьях Конвенции или Правилах, в отношении
толкования или применения которых, по ее мнению, существует разногласие.
Генеральный секретарь направляет эти сведения всем Сторонам.
Статья III
Третейский суд состоит из трех членов: двух арбитров, назначаемых
соответственно каждой из спорящих Сторон, и третьего арбитра, который
назначается по соглашению между двумя первыми арбитрами и действует в
качестве
Председателя
Суда.
Статья IV
1. Если по истечении шестидесяти дней со дня назначения второго арбитра
не будет назначен Председатель Суда, то Генеральный секретарь
Организации по просьбе любой из Сторон в течение дополнительного
шестидесятидневного срока назначает Председателя Суда из числа
квалифицированных лиц, список которых был предварительно составлен
Советом
Организации.
2. Если в течение шестидесяти дней со дня получения просьбы одна из
Сторон не назначит члена Суда, за назначение которого она ответственна,
другая Сторона может информировать об этом непосредственно
Генерального секретаря Организации, который в течение шестидесяти дней
назначает Председателя Суда, выбирая его из списка, упомянутого в пункте 1
настоящей
Статьи.
3. Председатель Суда после своего назначения просит Сторону, которая не
назначила арбитра, сделать это в том же порядке и на тех же условиях. Если
Сторона не сделает требуемого назначения, Председатель Суда просит
Генерального секретаря Организации произвести это назначение в порядке и
на условиях, которые предусмотрены в предыдущем пункте.
4. Председатель Суда, назначенный в соответствии с положениями
настоящей Статьи, не должен быть лицом, имеющим или имевшим
гражданство одной из заинтересованных Сторон, если только на это не даст
согласия
другая
Сторона.
5. В случае смерти или неявки арбитра, за назначение которого ответственна
одна из Сторон, эта Сторона должна его заменить в течение шестидесяти
дней со дня его смерти или неявки. Если упомянутая Сторона не сделает
этого, разбирательство осуществляется оставшимися арбитрами. В случае
смерти или неявки Председателя Суда, он заменяется в соответствии с
положениям
вышеупомянутой
Статьи
III,
а, в случае недостижения соглашения между членами Суда в течение
шестидесяти дней со дня его смерти или неявки - в соответствии с
положениями
настоящей
Статьи.
Статья V
Суд может рассматривать встречные требования, непосредственно связанные
с
предметом
спора,
и
принимать
по
ним
решения.
Статья VI
Каждая Сторона несет обязательства по вознаграждению своего арбитра,
связанные с Судом расходы и расходы по подготовке своего дела. Расходы
по вознаграждению Председателя Суда и все общие расходы, связанные с
разбирательством дела, распределяются поровну между Сторонами. Суд
ведет учет всех своих расходов и представляет по ним окончательный счет.
Статья VII
Любая Сторона Конвенции, чьи интересы правового характера могут быть
затронуты решением по делу, может после письменного уведомления
Сторон, первоначально прибегнувших к арбитражной процедуре,
присоединиться
к
участию
в
ней
с
согласия
Суда.
Статья VIII
Каждый Третейский суд, созданный в соответствии с положениями
настоящего Протокола, устанавливает свои собственные правила процедуры.
Статья IX
1. Решение Суда, как в отношении его правил процедуры и места заседания,
так и по любому вопросу, переданному на его рассмотрение, принимаются
большинством голосов его членов; отсутствие или воздержание от
голосования одного из членов Суда, за назначение которых Стороны были
ответственны, не может препятствовать вынесению Судом решения. В
случае разделения голосов поровну, голос Председателя является
решающим.
2. Стороны должны содействовать работе Суда. С этой целью они в
соответствии со своим законодательством и используя все имеющиеся в их
распоряжении
средства:
а)
представляют
Суду
необходимые
документы
и
сведения;
b) предоставляют Суду возможность въезда на их территорию, возможность
выслушивать показания свидетелей или экспертов и посещать место
происшествия.
3. Отсутствие или неявка одной из Сторон не препятствует разбирательству
дела.
Статья X
1. Суд выносит решение в течение пяти месяцев с даты своего создания, если
он не решит, в случае необходимости, продлить этот период на срок, не
превышающий трех месяцев. К решению Суда прилагается изложение его
мотивов.
Оно является окончательным и обжалованию не подлежит. Оно направляется
Генеральному секретарю Организации. Стороны должны исполнить это
решение
без
промедления.
2. Всякий спор, который может возникнуть между Сторонами относительно
толкования или выполнения решения, может быть передан любой из Сторон
на рассмотрение Суда, вынесшего это решение, или, если это невозможно, на
рассмотрение другого Суда, создаваемого для этой цели в том же порядке,
что и первоначальный Суд.
О вступлении в силу требований Приложения VI к МК МАРПОЛ-73/78 о
загрязнении
воздуха
с
судов
18.05.05
№
10.16-1/1007
19 мая 2005 г. вступают в силу требования Приложения VI к международной
Конвенции МАРПОЛ-73/78 о предотвращении загрязнения воздуха с судов.
При выпуске российских судов в международные рейсы надлежит
руководствоваться
следующим.
1. Суда, выполняющие международные рейсы, должны иметь документ о
соответствии требованиям Приложения VI. Данное требование применимо к
«новым» судам (т.е., построенным 19 мая 2005 г. и позднее). Существующие
суда должны иметь документ о соответствии не позднее первого планового
освидетельствования судна в сухом доке после 19 мая 2005 г., и в любом
случае не позднее 19 мая 2008 года. Документы о соответствии будут
выдаваться взамен международного Свидетельства о предотвращении
загрязнения воздуха с судов вплоть до присоединения Российской
Федерации к Протоколу 1997 года к МАРПОЛ-73/78 (Приложению VI).
2. Все судовые дизельные установки мощностью более 130кВт,
установленные на судах, построенных 1 января 2000 года и позднее, а также
дизельные установки мощностью свыше 130 кВт, прошедшие
переоборудование существенного характера 1 января 2000 г. и позднее,
должны иметь документ о соответствии дизельной установки требованиям
правила 13 Приложения VI, а также технический формуляр дизельной
установки. Данное требование не распространяется на аварийные дизельные
установки.
3. Судовые инсинераторы мощностью до 1500 кВт, установленные на судах 1
января 2000 г. и позднее, должны иметь копию Свидетельства о типовом
одобрении в соответствии с Резолюцией Комитета ИМО по предотвращению
загрязнения моря с судов МБРС.76(40).
4. Бункеровка судов, осуществляемая 19 мая 2005г. и после этой даты,
должна
предусматривать
получение
на
судно
документа,
свидетельствующего о том, что содержание серы в топливе по массе не
превышает 4.5%, а также наличие образца топлива в необходимом
количестве. Указанные документы должны сохраняться на судах не менее 3
лет,
а
образцы
топлива
не
менее
одного
года.
5. Если судно является танкером, а в порту назначения регулируется выброс
в атмосферу летучих органических соединений, это судно должно быть
оборудовано системой улавливания паров углеводородов, отвечающая
требованиям к безопасности, изложенным в циркуляре Комитета ИМО по
безопасности мореплавания МSС/Circ.585.
6. Использование веществ, разрушающих озоновый слой, в новых системах и
установках, не допускается (правило 12 Приложения VI). Выброс таких
веществ в атмосферу в ходе ремонта, обслуживания или демонтажа
оборудования или систем, не допускается. Экипаж должен быть
проинструктирован о необходимости исполнения указанного требования в
ходе эксплуатации судна.
При выпуске судов в международные рейсы, а также при осмотрах судов, с
целью предотвращения их задержаний в портах государств, являющихся
Сторонами Протокола 1997 года к МК МАРПОЛ-73/78, надлежит
руководствоваться пунктами 1-6. Детальные сведения о требованиях
Протокола
1997г.
будут
представлены
должностным
лицам,
уполномоченным осуществлять государственный контроль российских
судов, на соответствующих семинарах информационных центров.
Рекомендованная литература
1. Международная Конвенция по предотвращению загрязнения с судов
1973г., измененная протоколом 1978г. к ней (МАРПОЛ-73/78), Книги I
и II, - СПб.: ЗАО "ЦНИИМФ", 2008 г.
2. Международное морское право. Учебное пособие. Под ред. С. А.
Гуреева. М, «Юридическая литература», 2003 г.,.
3. Т.Р. Короткий. Международно-правовая охрана морской среды от
загрязнения с судов. Одесса, «Латстар», 2002 г..
4. А. П. Пимошенко. Предотвращение загрязнения окружающей среды с
судов. М.,«Мир» 2004 г.
5. Л.М. Михрин. Предотвращение загрязнения морской среды с судов и
морских сооружений. СПб, 2005 г.
Вопросы для самоконтроля усвоения материала.
1. Какая гидрометеорологическая информация включается в состав
сообщения об инцидентах, связанных со сбросом вредных
веществ?
2. Что такое MARPOL 73/78 ?
3. Что входит в комплект документов MARPOL 73/78?
4. Чему посвящена статья 2 MARPOL 73/78?
5. Чему посвящена статья 6 MARPOL 73/78?
6. Чему посвящена статья 7 MARPOL 73/78?
7. Каким вопросам посвящено Приложение I ?
8. Каким вопросам посвящено Приложение II ?
9. Каким вопросам посвящено Приложение III ?
10. Каким вопросам посвящено Приложение VI ?
С8. Экологические проблемы Черного моря
К концу XX столетия экологическое состояние Черного моря учеными
и специалистами было определено как кризисное. Естественно, это не могло
не вызвать обеспокоенность мирового сообщества и, особенно,
проживающих на его берегах народов. Для них Черное море является частью
собственного дома, основой всей жизнедеятельности.
Ради отдыха на море приезжают сюда миллионы людей из разных
регионов и стран. Они имеют право наслаждаться природной красотой моря,
не подвергая риску свое здоровье и здоровье своих детей из-за его
загрязнения.
К основным экологическим проблемам Черного моря относятся:






эвтрофикация («цветение воды») из-за попадания в прибрежные
акватории остатков химических удобрений и недостаточно очищенных
сточных вод;
загрязнение воды нефтепродуктами и другими токсическими
веществами;
биологическое загрязнение чужеродными видами (рапан, гребневик);
уменьшение биологического разнообразия, выраженное в снижении
численности или полном исчезновении черноморских видов флоры и
фауны;
сокращение площади природных ландшафтов, лесных и особо
охраняемых территорий в прибрежных зонах;
накопление твердых бытовых отходов.
Эвтрофикация
Наибольший урон морским сообществам наносят соединения азота и
фосфора, поступающие с бытовыми и промышленными стоками, а также
ливневыми водами, которые смывают с полей удобрения, с пастбищ и
животноводческих ферм — экскременты животных. Большая часть таких
веществ поступает из рек. В последнее время возросли объемы
поступающего фосфора, так как его соединения содержатся в моющих
средствах.
Азот и фосфор называют еще биогенами, так как они являются
питательными веществами для растений. Перенасыщенность воды этими
элементами вызывает процесс, названный эвтрофикацией (в буквальном
переводе «перекармливание»). В такой воде начинают интенсивно
размножаться водоросли, как одноклеточные, так и многоклеточные. Это
приводит к тому, что растения используют практически весь растворимый в
воде кислород для собственного дыхания и не успевают покрыть дефицит за
счет фотосинтеза. Животные, оставшись без кислорода, просто задыхаются.
Таким образом, эвтрофикация водоемов приводит не только к ухудшению
рекреационных качеств акватории, но и приводит к деградации природных
сообществ.
Научные исследования, проводимые в рамках Черноморской экологической
программы, выявили, что из всех отраслей экономики на территории
европейских стран наибольший удар по экосистеме Черного моря наносит
свиноводство, поскольку свиные экскременты плохо утилизируются и долго
перерабатываются естественным путем.
Согласно отчетам Международной ассоциации владельцев танкеров в
начале XXI века Черное море занимало первое место по уровню загрязнения
нефтепродуктами. Если в открытой части Черного моря уровень загрязнения
нефтепродуктами сравнительно невелик, то в прибрежных акваториях,
особенно вблизи портов, он часто превышает предельно допустимые нормы.
Нефть поступает в окружающую среду в результате плановых или аварийных
сбросов с судов, а также из наземных источников.
Аварийные разливы нефти сравнительно невелики. В среднем они
составляют 110 тонн в год. Однако возрастающие объемы транспортировки
нефти и нефтепродуктов, строительство новых нефтяных терминалов
увеличивают угрозу крупных аварий. В случае же такой аварии
чувствительная экосистема моря может долгие десятилетия не прийти в
норму.
Загрязнение
Черного
моря
тяжелыми
металлами
пока
несущественно. Однако вблизи берегов встречаются локальные аномалии.
Например, в районах виноградарства при обработке плантаций препаратами
меди с дождевыми водами может поступать избыток токсичных ионов меди.
С промышленных предприятий с речными стоками попадают в море кадмий,
хром и особенно свинец, источником которого являются выхлопные газы
автомобильного транспорта.
Загрязнение пестицидами значительно сократилось в 90-х годах, так
как из-за стагнации в сельском хозяйстве перестали использовать
ядохимикаты в полном объеме. Но по мере возрождения сельского хозяйства
увеличивается и количество пестицидов, попадающих в водоемы с
сельхозугодий.
Биологическое загрязнение чужеродными видами
Наиболее значительным для биоты Черного моря стало вселение
моллюска рапана и гребневика мнемиопсиса. Эти два вида попали в Черное
море с балластными водами танкеров, которые выливаются в море, когда
судно приходит в порт назначения. Вместе с ними в море попадают и
чужестранцы, как правило — это личинки. Наиболее способные к адаптации
виды выживают и даже могут массово размножиться. В этом случае они
массово внедряются в устоявшуюся экосистему, нарушают равновесие, что
может привести к значительным и необратимым последствиям.
В 1947 году недалеко от порта Новороссийск был обнаружен крупный
брюхоногий моллюск. Им оказалась рапана (Rapana thomasiana) из
Японского моря, которую ныне зовут рапаном. Не имея в Черном море
естественных врагов, но, получив богатую кормовую базу в виде устричных
и мидийных банок, рапан стал молниеносно размножаться. Уничтожив
практически полностью популяцию устриц, рапан принялся за мидий, и уже
сегодня появляются тревожные сообщения о деградации и уменьшении
биомассы
этого
моллюска
у
российских
берегов.
В 1982 году в толще воды северной части Черного моря были обнаружены
медузообразные существа, не встречающиеся ранее в этих краях. Ими
оказался гребневик (Mntmiopsis leidyi), родиной которого является
Атлантический океан. Как и рапан, не встретив естественных врагов, но
разнообразную кормовую базу их личинок, зоопланктона, икры рыб,
гребневик стал бурно размножаться. Уже к середине 80-х годов он обогнал
по численности морскую медузу аурелию, достигнув общей биомассы 1
миллиард тонн. Съев корма, предназначенные для черноморских обитателей,
гребневик подорвал естественную кормовую базу биоты, а это привело к
резкому
падению
численности
рыб
и
других
обитателей.
Кроме этих видов, следует отметить и других случайных вселенцев Черного
моря: гидромедузу блакфордию, бурую водоросль десмарестию, песчаную
ракушку мию, моллюска скафарку, голландского и голубого крабов и др.
Уменьшение биологического разнообразия.
В уменьшении биологического разнообразия черноморских видов флоры
и фауны можно выделить несколько причин. Это и упомянутое выше
биологическое загрязнение чужеродными видами, и деятельность человека
по бесконтрольному вылову рыбы, и деградация прибрежных донных
сообществ.
Донные сообщества являются наиболее важными для экосистемы моря.
Они являются биологическими очистителями воды. Именно здесь, в зарослях
прикрепленных ко дну водорослей сосредоточено основное разнообразие
жизни, или биоразнообразие. Здесь происходит размножение и нагул молоди
почти всех видов черноморской фауны.
Разрушение донных сообществ происходит по ряду причин. Главные из
них: донное траление и наибольшая загрязненность прибрежных акваторий.
Уменьшение рыбных запасов заставляет рыбаков опускать тралы на дно,
хотя такой способ лова запрещен. После прохода одного трала на дне
остается полоса шириной около 30 метров и длиной несколько километров, с
которой снято все живое. Прекратить эту губительную практику может
только установка на дне железобетонных ежей. Однако эта установка также
не лучшим способом скажется на донных сообществах, хотя и в значительно
меньшей степени, чем варварские способы лова.
Накопление твердых бытовых отходов.
Водолазные исследования показывают, что дно прибрежных акваторий
буквально завалено бытовым мусором. Это бутылки, банки, пластиковые
отходы, обрывки рыболовных сетей и многое другое. То же мусор
присутствует повсеместно и на берегу. Твердые бытовые отходы (ТБО) в
последние годы становятся настоящим бичом побережья. Можно выделить
следующие основные источники твердых бытовых отходов:
- сбрасывают в морс судов;
- часто свалки ТБО делают по берегам рек, во время паводком отходы
смываются и попадают в море;
В курортный сезон на берегах моря накапливается большой объем
ТБО, так как коммунальные службы не справляются с уборкой и, к тому же,
не развита в должной мере система переработки ТБО.
В морской воде бытовой мусор может разлагаться годами,
десятилетиями, а пластиковые отходы — столетиями. При этом в воду
попадают токсические продукты распада. Плавающий пластиковый мусор
морскими животными может ошибочно восприниматься как пища и
заглатываться,
что
зачастую
приводит
к
смерти
животного.
3. Законодательная база, принятая странами черноморского бассейна
для защиты экологии Черного моря.
Основным международным документом, регулирующим вопросы
охраны Чёрного моря, является Конвенция о защите Чёрного моря от
загрязнения, подписанная шестью черноморскими странами — Болгарией,
Грузией, Россией, Румынией, Турцией и Украиной в 1992 в Бухаресте
(Бухарестская конвенция).
Также в июне 1994 года представителями Австрии, Болгарии,
Хорватии, Чешской Республики, Германии, Венгрии, Молдавии, Румынии,
Словакии, Словении, Украины и Европейского союза в Софии была
подписана Конвенция о сотрудничестве по защите и устойчивому развитию
реки Дунай. К
ак результат указанных соглашений, были созданы Черноморская
комиссия (Стамбул), и Международная комиссия по охране реки Дунай
(Вена). Данные органы выполняют функцию координации природоохранных
программ, осуществляемых в рамках конвенций. Ежегодно 31 октября во
всех странах Черноморского региона отмечается Международный день
Чёрного моря.
4. Меры по восстановлению и поддержанию экологии Чёрного
моря.
Рассмотрим меры, предпринимаемые для восстановления и
поддержания экологии Черного моря в Краснодарском крае, и в частности, в
городе-курорте Анапа.
Азово-Черноморское побережье России уникально: и мягкий климат, и
великолепные ландшафты, и плодородные почвы — все это делает данный
регион привлекательным для туристов, ценным для сельского хозяйства. По
данным Всероссийского общества охраны природы, сохранившиеся вдоль
Черноморского побережья фисташково-можжевеловые редколесья, а также
широколиственные леса с вкраплениями скального дуба — уникальны не
только для России, но и для всего Средиземноморья. В их флористическом
составе около 60% реликтовых и эндемичных видов. На склонах сопок и гряд
Таманского полуострова, среди сплошных распаханных угодий, сохранились
отдельные участки разнотравно- злаковых степей и ксерофильные
ассоциации полупустынного типа. Азовское побережье — дельты рек Кубани
и Дона, Ахтаро-Гривенская система лиманов — представляют особую
ценность для сохранения биоразнообразия и рыбных ресурсов. Но все эти
природные богатства находятся сейчас в зоне чрезвычайно активного
освоения, причем зачастую без учета их исключительной экологической,
эстетической и рекреационно-бальнеологической ценности.
В рамках борьбы с эвтрофикацией в городе Анапа сдан в эксплуатацию
глубоководный коллектор выпуска очищенных сточных вод в Чёрное море,
который существенно улучшит экологию города.
Другая проблема Анапских пляжей — гниющие водоросли. Для
решения этой проблемы администрация города закупила специальные
технические средства для очистки прибрежной полосы. Но этого
недостаточно, необходимо восстанавливать заградительные лесополосы по
границам сельхозугодий и реконструировать ирригационные системы. В
совокупности это позволит избежать чрезмерного попадания удобрений с
полей в море.
Для Анапы опасность заключается в том, что основное Черноморское
течение и ветры направлены от места нефтеналивного терминала в сторону
детского курорта, а потому велика вероятность попадания аварийных
сбросов нефти на анапские пляжи. Кроме того, в процессе штатного режима
эксплуатации нефтяных портов всегда существуют допустимые потери
нефти. В проектных материалах КТК по расчетам экспертов такой допуск
составил от 2000 до 4000 тыс. т нефти в год. Стоит напомнить, что одна
тонна сырой нефти может покрыть воздухонепроницаемой микропленкой до
12 кв. км водной поверхности. Решением данной экологической проблемы
является строгое и неукоснительное выполнение природоохранных норм,
постоянное технологическое совершенствования оборудования объектов
перекачки и транспортировки нефти, установка бонных заграждений на
путях возможного разлива нефти с целью его немедленной ликвидации.
Наиболее остро стоит проблема недопущения попадания в море
твёрдых бытовых отходов (ТБО). В планах администрации г-к. Анапа
построение современной системы управления утилизации отходов. План
состоит из нескольких этапов. Первый — строительство безопасного
полигона с перерабатывающим заводом. Внедрение раздельного сбора - эта
технология появилась давно, но как показывает практика, к этому готовы не
все. Следующий немаловажный элемент организации системы переработки
отходов — пропаганда защиты окружающей среды, начиная со школьной
скамьи.
5.
Что
могу
сделать
я
для
защиты
Чёрного
моря.
1. Каждый раз, после посещения пляжа и берега моря, я буду забирать с
собой весь мусор и, по крайней мере, небольшую часть мусора,
который не принадлежит мне.
2. Стараться беречь воду, чтобы не перегружать очистные системы.
3. Не выливать на землю и в канализацию масло, краски или химикалии, а
утилизировать их безопасным для окружающей среды способом.
4. Высаживать деревья, кустарники и цветы вокруг своего дома и в
общественных местах.
5. Ограничить использование полиэтиленовых пакетов и выбирать
изделия с безопасной в экологическом отношении упаковкой.
6. Соблюдать правила утилизации твёрдых бытовых отходов.
7. Требовать от руководства населённых пунктов по месту проживания
уделять первоочередное внимание экологическим проблемам.
8. Требовать от государственных муниципальных органов, ответственных
за экологию, добросовестного выполнения своих обязанностей.
9. Интересоваться ведущимся на берегу моря и рядом с местом
проживания строительством с целью контроля над воздействием на
состояние окружающей среды.
Только при активной позиции жителей побережья можно
предотвратить разрастание экологических проблем и спасти Чёрное море.
Защита
окружающей
среды
–
долг
каждого
анапчанина.
Рекомендованная литература
1. Вершинин А.О «Жизнь Чёрного моря» - Москва, «МАК-ЦЕНТР.
Издательство», 2003.
2. Панькова С.А., Логвиненко И.А., Паньков С.Л. «Путеводитель по
подводному миру Чёрного моря» - Краснодар, 2000.
3. Ми Лоренс Д. Как спасти Чёрное море: ваше руководство к
стратегическому плану действий для Чёрного моря – Стамбул, 1999.
Вопросы для самоконтроля усвоения материала.
1.Охарактеризуйте нефтяное загрязнение вод Черного моря иего
источники.
2. Охарактеризуйте антропогенную эвтрофикацию прибрежных
акватрий и ее экологические последствия.
3. Охарактеризуйте проблему загрязнения морской среды твердыми
бытовыми отходами.
4.Охарактеризуйте проблему биологического загрязнения.
5. Охарактеризуйте проблему сброса в море малоочищенных или
неочищенных коммунально-бытовых стоков.
6. Охарактеризуйте правовую базу деятельности по защите экосистемы
Черного моря.
Раздел Л9. Устойчивое развитие и способы его достижения
Усто́йчивое разви́тие— гармоничное (правильное, равномерное,
сбалансированное) развитие — это процесс изменений, в котором
эксплуатация природных ресурсов, направление инвестиций, ориентация
научно-технического развития, развитие личности и институциональные
изменения согласованы друг с другом и укрепляют нынешний и будущий
потенциал для удовлетворения человеческих потребностей и устремлений.
Устойчивое развитие модели использования ресурсов, которая
направлена на удовлетворение потребностей человека при сохранении
окружающей среды, с тем что эти потребности могут быть удовлетворены не
только для настоящего, но и для будущих поколений. Комиссия Брундтланд
придумала этот термин, это стало наиболее часто цитируемое определение
устойчивого развития как развития, что «удовлетворение потребностей
нынешнего поколения, без ущерба для возможности будущих поколений
удовлетворять свои собственные потребности».
Комиссия Брундтланд, официально — Всемирная комиссия по
окружающей среде и развитию (WCED), известная по имени председателя
Гру Харлем Брундтланд, была созвана ООН в 1983 году. Комиссия была
создана в результате растущей озабоченности «по поводу быстрого
ухудшения состояния окружающей среды, человека и природных ресурсов, и
последствий ухудшения экономического и социального развития». При
создании комиссии Генеральная Ассамблея ООН признала, что
экологические проблемы носят глобальный характер и определяют, что это
отвечает общим интересам всех стран по разработке политики для
устойчивого развития.
Ещё в 1970-е годы «устойчивость» используется для описания
экономики «в равновесии с основными экологическими системами
поддержки». Экологи указывают на «пределы роста», и представляют в
качестве альтернативы «устойчивое состояние экономики» в целях решения
экологических проблем.
«Пределы роста» — книга моделирования последствий быстрого роста
населения земного шара и конечной поставки ресурсов, изданная по заказу
Римского клуба. Её авторы: Донелла H. Медоус (Donnella N. Medose), Деннис
Л. Медоус (Dennis L. Medose), Жорден Рандерс (Jørgen Randers), и Вильям В.
Беренс III (William W. Berens). В книге предпринята попытка моделирования
последствий взаимодействия Земли и человека, представлены некоторые
проблемы и предсказания преподобного Томаса Роберта Мальтуса в «Эссе о
законе народонаселения» (1798).
В первоначальной модели были рассмотрены пять переменных в
предположении, что экспоненциальный рост точно описал свои модели
роста, и что способность технологий для повышения доступности ресурсов
растет только линейно. Эти переменные: мировое население,
индустриализация, загрязнения окружающей среды, производство
продовольствия и истощение ресурсов. Авторы планировали рассмотреть
возможность устойчивого обратного шаблона, который может быть
достигнут путем изменения тенденции роста среди пяти переменных.
Последний обновленный вариант был опубликован 1 июня 2004 года под
названием «Пределы роста: 30-лет». Донелла Луга, Жорден Рандерс, и
Деннис Медоус обновили и расширили первоначальную версию.
В 2008 году Грэм Тернер на уровне Содружества по научным и
промышленным исследованиям (CSIRO) в Австралии опубликовала статью
под названием «Сравнение „Пределов роста“ с тридцатилетней
реальностью». В нём рассматриваются последние 30 лет реальности и
предсказаний, сделанных в 1972, и обнаружено, что изменения в области
промышленного производства, производства продуктов питания и
загрязнения окружающей среды соответствуют предсказаниям книги
экономического и социального краха в двадцать первом веке. Устойчивая
экономика государства: экономика относительно стабильных размеров.
В модели роста Солоу (назван в честь Роберта Солоу), стационарное
состояние является в долгосрочной перспективе результатом модели. Если в
экономике начиная от стационарного состояния, он постепенно переходит к
нему. Термин обычно относится к национальной экономике, но могут
применяться для экономики города, региона или всей планеты.
Концепция устойчивого развития явилась логическим переходом от
экологизации научных знаний и социально-экономического развития, бурно
начавшимся в 1970-е годы. Вопросам ограниченности природных ресурсов, а
также загрязнения природной среды, которая является основой жизни,
экономической и любой деятельности человека, в 1970-е годы был посвящен
ряд научных работ. Реакцией на эту озабоченность было создание
международных неправительственных научных организаций по изучению
глобальных процессов на Земле, таких как Международная федерация
институтов перспективных исследований (ИФИАС), Римский клуб (с его
знаменитым докладом «Пределы роста»), Международный институт
системного анализа, а в СССР — Всесоюзный институт системных
исследований.
Назаретян А. П. считает, что концепции «устойчивого развития» в
1970—1980-х годах «походили на врачебные рекомендации по продлению
агонии обречённого пациента». Многие варианты подобных концепций для
преодоления экологических и продовольственных кризисов предлагали
форсированно сократить население планеты.
Проведение в 1972 году в Стокгольме Конференции ООН по
окружающей человека среде и создание Программы ООН по окружающей
среде (ЮНЕП) ознаменовало включение международного сообщества на
государственном уровне в решение экологических проблем, которые стали
сдерживать социально-экономическое развитие. Стала развиваться
экологическая политика и дипломатия, право окружающей среды, появилась
новая институциональная составляющая — министерства и ведомства по
окружающей среде.
В 1980-х годах стали говорить об экоразвитии, развитии без
разрушения, необходимости устойчивого развития экосистем. Всемирная
стратегия охраны природы, принятая в 1980, впервые в международном
документе содержала упоминание устойчивого развития. Вторая редакция
ВСОП получила название «Забота о планете Земля — Стратегия устойчивой
жизни» и была опубликована в октябре 1991. В ней подчеркивается, что
развитие должно базироваться на сохранении живой природы, защите
структуры, функций и разнообразия природных систем Земли, от которых
зависят биологические виды. Для этого необходимо: сохранять системы
поддержки жизни (жизнеобеспечения), сохранять биоразнообразие и
обеспечить устойчивое использование возобновляемых ресурсов. Появились
исследования по экологической безопасности как части национальной и
глобальной безопасности.
В 1980-е годы Программа ООН по окружающей среде (ЮНЕП)
призывала к необходимости перехода к «развитию без разрушения». В 1980
году впервые получила широкую огласку концепция устойчивого развития
во Всемирной стратегии сохранения природы, разработанной по инициативе
ЮНЕП, Международного союза охраны природы (МСОП) и Всемирного
фонда дикой природы. В 1987 году в докладе «Наше общее будущее»
Международная комиссия по окружающей среде и развитию (МКОСР)
уделила основное внимание необходимости «устойчивого развития», при
котором «удовлетворение потребностей настоящего времени не подрывает
способность будущих поколений удовлетворять свои собственные
потребности». Эта формулировка понятия «устойчивое развитие» сейчас
широко используется в качестве базовой во многих странах.
Теория и практика показали, что экологическая составляющая является
неотъемлемой частью человеческого развития. В основе деятельности
Международной комиссии по окружающей среде и развитию и её
заключительного доклада «Наше общее будущее» была положена новая
триединая концепция устойчивого (эколого-социально-экономического)
развития. Всемирный саммит ООН по устойчивому развитию
(межправительственный, неправительственный и научный форум) в 2002
году подтвердил приверженность всего мирового сообщества идеям
устойчивого развития для долгосрочного удовлетворения основных
человеческих потребностей при сохранении систем жизнеобеспечения
планеты Земля. Концепция устойчивого развития во многом перекликается с
концепцией ноосферы, выдвинутой академиком В. И. Вернадским ещё в
середине XX века.
Фактически речь может идти не о немедленном прекращении
экономического роста вообще, а о прекращении, на первом этапе,
нерационального роста использования ресурсов окружающей среды.
Последнее трудно осуществить в мире растущей конкуренции, роста таких
нынешних показателей успешной экономической деятельности как
производительность и прибыль. В то же время переход к «информационному
обществу» — экономике нематериальных потоков финансов, информации,
изображений, сообщений, интеллектуальной собственности — приводит к
так называемой «дематериализации» хозяйственной деятельности: уже
сейчас объёмы финансовых сделок превышают объёмы торговли
материальными товарами в 7 раз. Новую экономику двигают не только
дефицит материальных (и природных) ресурсов, но во все большей степени
изобилие ресурсов информации и знаний. Удельная энергоемкость
хозяйственной деятельности продолжает снижаться, хотя общее
энергопотребление пока растет.
Значительное большинство международных организаций системы ООН
включило
в
свою
деятельность
существенную
экологическую
составляющую, ориентированную на переход к устойчивому развитию.
Эксперты Всемирного банка определили устойчивое развитие как процесс
управления совокупностью (портфелем) активов, направленный на
сохранение и расширение возможностей, имеющихся у людей. Активы в
данном определении включают не только традиционно подсчитываемый
физический капитал, но также природный и человеческий капитал. Чтобы
быть устойчивым, развитие должно обеспечить рост — или по крайней мере
неуменьшение — во времени всех этих активов. Для рационального
управления экономикой страны применяется та же логика, что используется
для рационального управления личной собственностью.
В соответствии с приведенным определением устойчивого развития
главным показателем устойчивости, разработанным Всемирным банком,
являются «истинные темпы (нормы) сбережения» или «истинные нормы
инвестиций» в стране. Принятые сейчас подходы к измерению накопления
богатства не учитывают истощение и деградацию природных ресурсов, таких
как леса и нефтяные месторождения, с одной стороны, а, с другой —
инвестиции в людей — один из самых ценных активов любой страны. При
переходе на вычисление истинных темпов сбережений (инвестиций) этот
недостаток исправляется корректировкой рассчитываемых традиционными
методами темпов сбережений: в сторону уменьшения — путем оценки
истощения природных ресурсов и ущерба от загрязнения окружающей среды
(потеря природного капитала), и в сторону увеличения — путем учёта
возрастания человеческого капитала (прежде всего из-за инвестиций в
образование и базовое медицинское обслуживание).
Документ Хартия Земли появился на свет в результате шестилетнего
международного диалога с целью выработки общечеловеческих целей и
общих ценностей. Он был подготовлен по инициативе гражданского
сообщества и был официально принят на собрании Комиссии Хартии Земли в
штабе ЮНЕСКО в Париже, в марте 2000 года. Миссией Хартии Земли
является пропаганда перехода к устойчивому образу жизни и формированию
глобального сообщества, основанного на общих этических устоях,
включающих в себя уважение и заботу о всём сообществе живого, принципы
экологической целостности, всеобщие права человека, уважение к
культурному разнообразию, экономическую справедливость, демократию и
культуру мира.
Концепция устойчивого развития появилась в результате объединения
трех основных точек зрения: экономической, социальной и экологической.
Экономическая составляющая
Экономический подход к концепции устойчивости развития основан на
теории максимального потока совокупного дохода Хикса-Линдаля, который
может быть произведен при условии, по крайней мере, сохранения
совокупного капитала, с помощью которого и производится этот доход. Эта
концепция подразумевает оптимальное использование ограниченных
ресурсов и использование экологичных — природо-, энерго-, и материалосберегающих технологий, включая добычу и переработку сырья, создание
экологически приемлемой продукции, минимизацию, переработку и
уничтожение отходов. Однако при решении вопросов о том, какой капитал
должен сохраняться (например, физический или природный, или
человеческий капитал) и в какой мере различные виды капитала
взаимозамещаемы, а также при стоимостной оценке этих активов, особенно
экологических ресурсов, возникают проблемы правильной интерпретации и
счета. Появились два вида устойчивости — слабая, когда речь идет о
неуменьшаемом во времени природном и произведенном капитале, и сильная
— когда должен не уменьшаться природный капитал (причем часть прибыли
от продажи невозобновимых ресурсов должна направляться на увеличение
ценности возобновимого природного капитала).
Социальная составляющая
Социальная составляющая устойчивости развития ориентирована на
человека и направлена на сохранение стабильности социальных и
культурных систем, в том числе, на сокращение числа разрушительных
конфликтов между людьми. Важным аспектом этого подхода является
справедливое разделение благ. Желательно также сохранение культурного
капитала и многообразия в глобальных масштабах, а также более полное
использование практики устойчивого развития, имеющейся в не
доминирующих культурах. Для достижения устойчивости развития,
современному обществу придется создать более эффективную систему
принятия решений, учитывающую исторический опыт и поощряющую
плюрализм. Важно достижение не только внутри-, но и межпоколенной
справедливости. В рамках концепции человеческого развития человек
является не объектом, а субъектом развития. Опираясь на расширение
вариантов выбора человека как главную ценность, концепция устойчивого
развития подразумевает, что человек должен участвовать в процессах,
которые формируют сферу его жизнедеятельности, содействовать принятию
и реализации решений, контролировать их исполнение.
Экологическая составляющая
С экологической точки зрения, устойчивое развитие должно
обеспечивать целостность биологических и физических природных систем.
Особое значение имеет жизнеспособность экосистем, от которых зависит
глобальная стабильность всей биосферы. Более того, понятие «природных»
систем и ареалов обитания можно понимать широко, включая в них
созданную человеком среду, такую как, например, города. Основное
внимание уделяется сохранению способностей к самовосстановлению и
динамической адаптации таких систем к изменениям, а не сохранение их в
некотором «идеальном» статическом состоянии. Деградация природных
ресурсов, загрязнение окружающей среды и утрата биологического
разнообразия
сокращают
способность
экологических
систем
к
самовосстановлению.
Единство концепций
Согласование этих различных точек зрения и их перевод на язык
конкретных мероприятий, являющихся средствами достижения устойчивого
развития — задача огромной сложности, поскольку все три элемента
устойчивого развития должны рассматриваться сбалансированно. Важны
также и механизмы взаимодействия этих трех концепций. Экономический и
социальный элементы, взаимодействуя друг с другом, порождают такие
новые задачи, как достижение справедливости внутри одного поколения
(например, в отношении распределения доходов) и оказание
целенаправленной помощи бедным слоям населения. Механизм
взаимодействия экономического и экологического элементов породил новые
идеи относительно стоимостной оценки и интернализации (учёта в
экономической отчетности предприятий) внешних воздействий на
окружающую среду. Наконец, связь социального и экологического элементов
вызвала интерес к таким вопросам как внутрипоколенное и межпоколенное
равенство, включая соблюдение прав будущих поколений, и участия
населения в процессе принятия решений.
Индикаторы устойчивого развития
Важным вопросом в реализации концепции устойчивого развития —
особенно в связи с тем, что она часто рассматривается как
эволюционирующая — стало выявление его практических и измеряемых
индикаторов. В этом направлении сейчас работают как международные
организации, так и научные круги. Исходя из вышеуказанной триады, такие
индикаторы могут связывать все эти три компонента и отражать
экологические, экономические и социальные (включая психологические,
например, восприятие устойчивого развития) аспекты.
Появление концепции УР подорвало фундаментальную основу
традиционной экономики — неограниченный экономический рост. В одном
из основных документов Конференции ООН по окружающей среде и
развитию (Рио-де-Жанейро, 1992 г.) «Повестке дня на XXI век», в главе 4
(часть 1), посвященной изменениям в характере производства и потребления,
прослеживается мысль, что надо идти дальше концепции устойчивого
развития, когда говорится, что некоторые экономисты «ставят под сомнение
традиционные понятия экономического роста», и предлагаются поиски «схем
потребления и производства, которые отвечают существенным потребностям
человечества». В рамках экологической экономики сформулированы
теоретические подходы к проблеме прекращения экономического роста без
неприемлемых социальных последствий, сторонниками этого подхода для
политического продвижения этой концепции в 2004 году создан Центр по
развитию стабильной экономики. В работах Германа Дэйли введено понятие
"экономика устойчивого состояния" , физические компоненты которой
ограничены и не изменяются с течением времени. Канадский экономист
Петер Виктор (Peter A. Victor) [2][3] предложил интерактивную модель,
позволяющую исследовать потенциал для достижения стабильной, но не
растущей экономики. Модель демонстрирует, что даже в пределах
общепринятых подходов к экономике существуют возможности для
достижения устойчивого состояния.
Традиционная экономика утверждает, что максимизация прибыли и
удовлетворение потребителей в рыночной системе совместимо с
максимизацией благополучия людей и что недостатки рынка можно
исправить государственной политикой. Вторая полагает, что краткосрочная
максимизация прибыли и удовлетворение индивидуумов-потребителей в
конечном итоге приведет к истощению природных и социальных ресурсов,
на которых зиждется благосостояние людей и выживание биологических
видов.
Прогресс экономической науки привёл ко всё большему учёту
природного фактора. С одной стороны, большинство традиционных
природных ресурсов стали дефицитными. Причем это относится не только к
невозобновимым ресурсам, но также и к так называемым возобновимым
ресурсам — прежде всего ресурсам экосистем (экосистемным «товарам» и
«услугам») и биоразнообразию. Одно из определений устойчивого развития
— это неистощительное развитие в долгосрочном, межпоколенном плане.
Так как природа является основой жизнедеятельности человека, её
истощение и деградация при существующих экономических отношениях
негативно сказывается на социальных отношениях, росте нищеты и
структурах производства и потребления. С другой стороны, оказалось, что
многие возобновимые природные блага не имеют должной ценности, что
является источником их истощения и деградации. Поэтому произошел
переход к экологической экономике и экономике устойчивого
развития.[источник не указан 1719 дней] В то же время взаимодействие социальных и
экологических факторов привело к рассмотрению ещё одного фактора
производства — социального капитала.
XX век, ставший периодом беспрецедентного роста городов и систем
расселения, выявил также потребность человечества в разработке и
внедрении принципов УР в области градостроительства и территориального
планирования. Соответствующая концепция получила название «устойчивое
развитие территорий», подразумевающее под собой обеспечение при
осуществлении градостроительной деятельности безопасности и
благоприятных условий жизнедеятельности человека, ограничение
негативного воздействия хозяйственной и иной деятельности на
окружающую среду и обеспечение охраны и рационального использования
природных ресурсов в интересах настоящего и будущего поколений[4]. В
таком виде термин попал в Градостроительный кодекс России 2004 года.
Принципы устойчивого развития территорий:
1. В новых населенных пунктах или кварталах городов создается
гуманная этажность жилых объектов (не выше 5 этажей),
планировочные решения учитывают создание удобной транспортной
инфраструктуры, легкую доступность административных, деловых и
торговых центров, социальных учреждений;
2. Застройка ведется по принципу ячеек, то есть создаются зеленые
дворы, детские площадки; деловые кварталы с высотным
строительством отделяются от жилых зеленых районов.
3. При создании транспортной инфраструктуры предпочтение отдается
наиболее приемлемому с экологической точки зрения транспорту
(троллейбусы, трамваи, фуникулеры, надземные и наземные
электропоезда и т. д.); серьёзное внимание уделяется развитию
общественного транспорта; стимулируется и поддерживается
пользование велосипедами.
4. Выполняется достоверный расчёт парковочных мест вблизи жилых
массивов и административно-деловых центров в привязке к
демографическому и экономическому развитию региона;
5. Большое внимание уделяется благоустройству территорий, то есть
создаются искусственные водоемы (где есть возможность), парки,
аллеи, обустраиваются набережные и т. п.;
6. Рассчитывается функциональное назначение каждого квартала, с
учётом демографических перспектив, региональной экономической
специфики (к примеру, промышленные предприятия создаются с
учётом розы ветров и других факторов) и даже реалий
макроэкономики;
7. При создании инженерной инфраструктуры учитывается возможность
использования локальных источников возобновляемой энергии в
каждом квартале;
8. Закладывается
возможность
использования
внутридомовых
энергосберегающих технологий (устройства для обеспечения
естественной вентиляции и освещения) в привязке к возможностям
региональной энергосистемы;
9. Создается эффективная система водоснабжения и водоотведения
(канализация с максимальной первичной очисткой перед сбросом в
водоемы) в комплексе с локальными системами рециркуляции
использованной воды, очистки так называемых «серых» вод, то есть
использованных в хозяйственных целях;
10.Создается система раздельного сбора твердых бытовых отходов,
максимальной рециркуляции вторичных материалов, прорабатываются
удобные для населения схемы по компостированию нетвердых
бытовых отходов;
11.Архитектурный облик зданий согласовывается с особенностями
местного ландшафта, с имеющимися национальными архитектурными
традициями.
12.Создание объектов социальной инфраструктуры, необходимой для
образовательно-культурного и духовного развития здорового,
творчески активного общества, причем с учётом различия возрастных
групп и стимуляцией общества к активному взаимодействию.
13.Комплексное решение проблемы с рационализацией сортировки и
переработки мусора;
14.Стимуляция отношений, приводящих в движение жизнь сообщества:
o деловые отношения в рамках сообщества, местный рынок для
своих, бартерные отношения;
o совместные мероприятия: постройка новых домов для членов
сообщества, сборы фондов в рамках развития проектов членов
сообщества, сборы в рамках медицинской помощи отдельным
членам, совместная уборка территорий (субботники), посадка
деревьев, фестивали, ярмарки, праздники;
o постоянные собрания членов коммуны для выработки общей
стратегии, решения по вопросам текущей жизни принимаются
совместно;
o местная самоуправляемая демократия.
15.Развитие полноценной местной экономики в рамках небольших
сообществ и малого бизнеса, обеспечивающего разнообразие,
самоокупаемость и самодостаточность.
Рекомендованная литература
1. Бобылев С. Н., Гирусов Э. В., Перелет Р. А. Экономика
устойчивого развития. Учебное пособие. Изд-во Ступени,
Москва, 2004, 303 сс., ISBN 5-94713-046-7
2. Гвишиани Д. М. Мосты в будущее. Институт системного
анализа, УРСС, Москва, 2004
3. Устойчивое экологобезопасное развитие: Курс лекций/ Под ред.
А. Д. Урсула. — М.: Издательство РАГС, 2001
Вопросы для самоконтроля усвоения материала.
1. Что такое устойчивое развитие?
2. Возможно ли неуклонное и устойчивое развитие потребляющей
системы в условиях конечности ресурсов?
3. Почему развитие не может быть устойчивым?
4. Кто придумал устойчивое развитие?
С9. Экологическая безопасность
Экологическая безопасность (ЭБ) — одна из составляющих
национальной безопасности, совокупность природных, социальных,
технических и других условий, обеспечивающих качество жизни и
безопасность жизни и деятельности проживающего (либо действующего) на
данной территории населения (Экологическая доктрина РФ, 2002)и
обеспечение устойчивого состояния биоценоза биотопа естественной
экосистемы.
Единым критерием оценки экологической безопасности естественной
экосистемы и её устойчивости является нерушимость естественного биотопа
основного биоценоза и его способность к восстановлению при
антропогенном воздействии.
Единым критерием оценки (ЕКО)экологической безопасности
искусственной экосистемы является качество жизни и здоровья населения.
Экологическая безопасность — совокупность состояний, процессов и
действий, обеспечивающих экологический баланс в окружающей среде и не
приводящая к жизненно важным ущербам (или угрозам таких ущербов),
наносимым природной среде и человеку. Это также процесс обеспечения
защищенности жизненно важных интересов личности, общества, природы,
государства и всего человечества от реальных или потенциальных угроз,
создаваемых антропогенным или естественным воздействием на
окружающую среду.
Объектами Экологической безопасности ЭБ являются, суда, порты,
права, материальные и духовные потребности личности, природные ресурсы
и природная среда или материальная основа государственного и
общественного развития.
Терминология в области экологической безопасности
экологическая политика - система мер на международном и
национальном уровнях, направленная на реализацию стратегии устойчивого
экологически безопасного социально-экономического развития общества;
окружающая среда - совокупность компонентов природной среды,
природных и природно-антропогенных объектов, а также антропогенных
объектов;
природная среда - совокупность компонентов природной среды
природных и природно-антропогенных объектов;
компоненты природной среды - земля, недра, почвы, поверхностные
и подземные воды,атмосферный воздух, растительный, животный мир и
иные организмы, а также озоновый слой атмосферы и околоземное
космическое пространство, обеспечивающие в совокупности благоприятные
условия для существования жизни на Земле;
природный объект - естественная экологическая система, природный
ландшафт и составляющие их элементы, сохранившие свои природные
свойства;
антропогенный объект - объект, созданный человеком для
обеспечения его социальных потребностей и не обладающий свойствами
природных объектов;
природно-антропогенный объект - природный объект, измененный в
результате хозяйственной и иной деятельности, и (или) объект, созданный
человеком, обладающий свойствами природного объекта и имеющий
рекреационное и защитное значение;
природный комплекс - комплекс функционально и естественно
связанных
между
собой
природных
объектов,
объединенных
географическими и иными соответствующими признаками;
природные ресурсы - компоненты природной среды, природные
объекты и природно-антропогенные объекты, которые используются или
могут быть использованы при осуществлении хозяйственной и иной
деятельности в качестве источников энергии, продук-тов производства и
предметов потребления и имеют потребительскую ценность;
использование природных ресурсов - эксплуатация природных
ресурсов, вовлечение их в хозяйственный оборот, в том числе все виды
воздействия на них в процессе хозяйственной и иной деятельности;
естественная экологическая система - объективно существующая
часть природной среды, которая имеет пространственно-территориальныеграницы и в которой живые (растения,животные и другие организмы) и
неживые ее элементы взаимодействуют как единое функциональное целое и
связаны между собой обменом веществом и энергией;
природно-хозяйственная система - объективно существующая часть
природной среды, освоенная человеком, в пространственно-временных
границах которой осуществляется хозяйственная и иная деятельность, и
поддерживаются условия нормальной жизнедеятельности населения;
природно-ресуреный потенциал - экологическая емкость территории,
оцененная с учетом характера использования, наличия и состояния
географических структур, природных ландшафтов, климатических условий,
минеральных ресурсов, почв, водных ресурсов,атмосферы, растительного и
животного мира;
качество окружающей среды - состояние окружающей среды,
которое характеризуется физическими, химическими, биологическими и
иными показателями и (или) их совокупностью;
благоприятная окружающая среда - окружающая среда, качество
которой обеспечивает устойчивое функционирование естественных
экологических систем, природных и природно-антропогенных объектов;
негативное воздействие на окружающую среду - воздействие
процессов хозяйственной и иной деятельности, воздействие природных
процессов, эффектов и явлений или сочетанные воздействия, последствия
которых приводят или могут привести к ухудшению качества окружающей
среды;
загрязнение окружающей среды - поступление в компоненты
окружающей среды вещества и (или)энергии, свойства, местоположение или
количество которых оказывают негативное воздействие на окружающую
среду;
негативное воздействие на здоровье населения - воздействие
процессов хозяйственной и иной деятельности, воздействие природных
процессов, эффектов и явлений или сочетанные воздействия, последствия
которых приводят или могут привести к ухудшению качества жизни
населения;
экологический мониторинг - система наблюдений, оценки и прогноза
состояния и изменения экосистем для обеспечения принятия решений в
области охраны окружающей среды и использования природных ресурсов;
мониторинг окружающей среды - система наблюдений за состоянием и
загрязнением атмосферного воздуха, вод, суши и морей, почв,
обеспечивающая получение и представление информации по оценке
состояния природной среды и прогнозу возможных ее изменений;
охрана окружающей среды - деятельность центральных и
территориальных органов государственной власти, органов местного
самоуправления, общественных организаций и иных некоммерческих
объединений, юридических и физических лиц,направленная на сохранение,
защиту и восстановление природной среды, рациональное использование и
вос-производство природных ресурсов, предотвращение негативных
воздействий хозяйственной и иной деятельности на окружающую среду и
ликвидацию их последствий (далее также - природоохранная деятельность);
экологический риск - вероятность наступления события, имеющего
неблагоприятные последствия для окружающей среды и здоровья населения,
обусловленного прогнозируемым негативным воздействием хозяйственной и
иной деятельности, которое создает угрозу возникновения чрезвычайных
ситуаций природного или техногенного характера;
приемлемый экологический риск - нормативный показатель
экологического риска, обеспечение которого при ведении хозяйственной и
иной деятельности, является полной гарантией защищенности природной
среды, здоровья населения и имущества физических и юридических лиц;
предельно-допустимый экологический риск - нормативный
показатель экологического риска, превышение которого при ведении
хозяйственной и иной деятельности исключает гарантии защищенности
благоприятной окружающей среды, здоровья населения и имущества
физических и юридических лиц;
опасная деятельность - означает любую деятельность, в ходе
реализации которой установлено или прогнозируется превышение
предельно-допустимых экологических рисков;
угрозы экологической безопасности - вероятность создания
необходимых и достаточных условий возникновения явлений, процессов и
эффектов, реализация которых может привести в негативным воздействиям
на окружающую среду и здоровье населения;
меры предосторожности - комплекс мероприятий направленных на
предотвращение угроз и подтверждение гарантий экологической
безопасности на территориях и зонах, в которых осуществляется или могут
осуществляться опасные виды хозяйственной или иной деятельности,
находятся или могут находиться источники экологической опасности
природного, техногенного и природно-техногенного характера;
ущерб(экологический) окружающей среде и здоровью населения экономическая оценка необходимой для возмещения физическим и
юридическим лицам по доказанным фактам причиненного вреда
окружающей среде, здоровью физических лиц и имуществу физических и
юридических лиц;
экологический аудит - независимая, комплексная, документированная
оценка соблюдения субъектом хозяйственной и иной деятельности
требований национального законодательства,нормативов, нормативных
документов и стандартов в области экологической безопасности, а также
требований международных нормативов, нормативных документов и
стандартов, подготовка заключений о состоянии и рекомендаций по
улучшению такой деятельности;
экологическое страхование - система международных и
национальных нормативно-правовых актов,обеспечивающая признание
исков по возмещению экологического ущерба;
наилучшая существующая технология - технология, основанная на
последних достижениях науки и техники, направленная на снижение
негативного воздействия на окружающую среду и имеющая установленный
срок практического применения с учетом экономических и социальных
факторов;
мониторинг экологической безопасности - специальная система
оценки экологических рисков в реальном времени в природных,
антропогенных, природно-антропогенных объектах, в которых находятся или
могут находиться источники негативных воздействий на окружающую среду
и здоровье населения;
гарантии экологической безопасности - документально оформленные
заявления о воздействии,декларации об экологической безопасности,
экспертные заключения, научные программы по оценке экологических
рисков и результаты мониторинга экологической безопасности,
подтверждающие, что осуществляемая и планируемая хозяйственная и иная
деятельность и принятые меры предосторожности не приводят и не могут
привести к возникновению угроз экологической безопасности на
локальном,местном, национальном и международном уровнях;
деятельность по обеспечению экологической безопасности - практическое
применение знаний,опыта, методов и средств для разработки и реализации
мер
предосторожности,гарантирующих
экологическую
безопасность
осуществляемой или планируемой хозяйственной и иной деятельности,
окружающей среды и здоровья населения;
управление экологической безопасностью - практическая реализация
административно-правовых и экономических методов для обеспечения
уровней приемлемого риска ведения хозяйственной и иной деятельности с
целью обеспечения гарантий экологической безопасности устойчивого
социально-экономического развития государства;
обеспечение экологической безопасности государства - деятельность
органов государственной власти, юридических и физических лиц
национальных и международных общественных организаций, объединений,
движений, политических партий и иных некоммерческих организаций,
направленная на создание условий устойчивого экологически безопасного
социально-экономического развития государства и предотвращение внешних
и
внутренних
угроз
его
экологической
безопасности;
Политика Экологической безопасности — целенаправленная деятельность
государства, общественных организаций, юридических и физических лиц по
обеспечению ЭБ.
Система
Экологической
безопасности
—
совокупность
законодательных,
технических,
управленческих,
медицинских
и
биологических мероприятий, направленных на обеспечение устойчивого
развития.
Экологическая безопасность достигается системой мероприятий
(прогнозирование, планирование, управление и пр.), обеспечивающих
минимальный уровень неблагоприятных воздействий на человека и природу
при сохранении достаточных темпов развития промышленности,
коммуникаций, сельского хозяйства.
Система Экологической безопасности — это механизм, обеспечивающий
допустимое негативное воздействие техногенных и антропогенных
факторов на окружающую среду и самого человека:
1. Комплексная экологическая оценка территории
o определение и оценка комплекса факторов экологической
опасности, проявляющихся на данной территории;
составление и ведение кадастра объектов воздействия на
окружающую среду;
o составление кадастра природных ресурсов;
o составление и ведение кадастра «загрязненных» площадей.
2. Экологический мониторинг
o нормирование воздействий на окружающую среду;
o контроль источников воздействия на окружающую среду;
3. Управленческие решения
o формирование экологической политики;
o предупреждение проявления антропогенных факторов;
o минимизация последствий проявления техногенных факторов;
o разработка
и
совершенствование
природоохранного
законодательства
и
формирование
экологического
мировоззрения.
o
Методы обеспечения Экологической безопасности:
1. Методы контроля качества окружающей среды:
1. Методы измерений — строго количественные, результат которых
выражается конкретным числовым параметром (физические,
химические, оптические и другие).
2. Биологические методы — качественные (результат выражается
словесно, например, в терминах «много-мало», «часто-редко» и
др.) или частично количественные.
2. Методы моделирования и прогноза, в том числе методы системного
анализа, системной динамики, информатики и др.
3. Комбинированные методы, например, эколого-токсикологические
методы, включающие различные группы методов (физико-химических,
биологических, токсикологических и др.).
4. Методы управления качеством окружающей среды.
В настоящее время существуют две основные концепции развития
региона с позиции возникших экологических проблем: техногенная
(ресурсная) и биосферная .
Согласно первой концепции, решение экологических проблем
заключается в оценках загрязнения окружающей среды, разработке
нормирования допустимого загрязнения различных сред, создании очистных
систем и ресурсосберегающих технологий. В рамках этой концепции
сформировалось современное направление конкретной природоохранной
деятельности, как системы локальных очисток среды от загрязнения и
нормирования показателей качества окружающей среды по узкому
(несколько десятков) набору показателей, а также внедрения
ресурсосберегающих технологий (Лобанова, 1999, Мазур, Молдаванов,
1999). Вторая концепция главным направлением определяет установление
области устойчивости любой экосистемы, что позволит найти допустимую
величину возмущения — нагрузки на экосистему, определить пороги
устойчивости конкретных экосистем.
Рекомендованная литература
1. Большеротов А.Л. Система оценки экологической безопасности
строительства. / А.Л.Большеротов - М.: Издательство
Ассоциации строительных вузов, 2010. - 216 с. ISBN 978-593093-757
2. Геоэкология
и
природопользование.
Понятийнотерминологический словарь. / В. В. Козин, В. А. Петровский. —
Смоленск: Изд-во «Ойкумена», 2005. — 576 с.
3. Коробкин, В. И. Экология. / В. И. Коробкин, Л. В. Передельский
— Ростов н/Д: Феникс, 2003. — 576 с.
Вопросы для самопроверки усвоения материала.
1. Охарактеризуйте Экологическую безопасность.
2. Охарактеризуйте факторы, влияющие на экологическую
безопасность торговых судов.
3. Охарактеризуйте факторы, влияющие на экологическую
безопасность портов.
4. Охарактеризуйте методы обеспечения экологической
безопасности.
5. Что такое опасная деятельность применительно к судовым
условиям?
6. Охарактеризуйте понятие мониторинг экологической
безопасности. Кто его осуществляет на судне в рейсе?
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
3
Глава Л1. Экология как наука. Факторы определяющие
устойчивость биосферы
Глава С1. Основные этапы развития экологических представлений
10
31
Глава Л2. Проблема глобального потепления климата
37
Глава С2. Парниковый эффект
49
Глава Л3. Проблема разрушения озонового слоя
63
Глава С3. Оксиды азота в атмосфере
78
Глава Л4. Принципы рационального природопользования
91
Глава С4. Глобальный экологический кризис
106
Глава Л5. Основные компоненты и источники техногенного
загрязнения атмосферы
Глава С5. Природные факторы загрязнения атмосферы
124
148
Глава Л6. Принципы нормирования антропогенных воздействий
на атмосферу
Глава С6. Аэрозоли
Глава Л7. Основные компоненты и источники техногенного
177
196
загрязнения гидросферы
Глава С7. Тяжелые металлы в водах Мирового океана
209
231
Глава Л8. Организационные и правовые средства охраны
Морской среды. МАРПОЛ73/75
Глава С8. Экологические проблемы Черного моря
Глава Л9. Устойчивое развитие и способы его достижения
Глава С9. Экологическая безопасность
СОДЕРЖАНИЕ
250
266
273
284
293