II. Основные законы экологии и учение о биосфере



страница3/22
Дата23.04.2016
Размер4.82 Mb.
1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   22
12. Энергия в биосфере. Законы термодинамики и регуляторы энтропии в экосистемах. Потоки энергии в экосистеме

Потоки энергии в биосфере.

Энергия – источник жизни, основа и средство управления всеми природными и общественными системами, а также одно из основных свойств материи – способность производить работу.

Все, что происходит внутри и вокруг нас, основано на работе, в процессе которой одни виды энергии переходят в другие согласно фундаментальным законам физики (термодинамики).

Превращение энергии Солнца в энергию пищи путем фотосинтеза, происходящего в зеленом листе, иллюстрирует действие двух законов термодинамики, которые справедливы и для любых других систем.

Первый закон термодинамики – закон сохранения энергии – гласит: энергия не создается и не исчезает, она превращается из одной формы в другую.

Закон подразумевает, что в результате превращений энергии никогда нельзя получить ее больше, чем затрачено: нельзя из ничего получить нечто. Однако на выходе из системы энергия преобразуется в иные формы.

Второй закон термодинамики утверждает: при любых превращениях энергия переходит в форму, наименее пригодную для использования и наиболее легко рассеивающуюся.



Действительно, солнечная энергия Qсолн, получаемая поверхностью зеленого листа, уравнивается рассеянной и концентрированной формами энергии в соответствии с первым законом термодинамики: Qсолн = qрасс + qконц. Лучистая энергия Солнца, попав на Землю, стремится превратиться в рассеянную тепловую. Доля световой энергии, преобразованной зелеными растениями в потенциальную энергию их биомассы, намного меньше поступившей (qконц < Qсолн). Большая часть энергии превращается в теплоту, покидающую затем и растения, и экосистему, и биосферу, в соответствии со вторым законом термодинамики (рис.) Пища, созданная в результате фотосинтезирующей деятельности зеленых растений, содержит потенциальную энергию химических связей, которая при потреблении ее животными организмами превращается в другие формы. Животные, поглощая пищу, также меньшую ее часть превращают в потенциальную химическую энергию синтезируемой ими протоплазмы, а большую часть переводят в теплоту, которая рассеивается в окружающем пространстве. Уровень рассеиваемой теплоты есть показатель энергетического беспорядка любых систем и данная неупорядоченность характеризуется энтропией – мерой количества связанной (рассеянной) потенциальной энергии, недоступной для использования. Однако, наряду с рассеянием в экосистемах происходит концентрация и качественное преобразование энергии в сторону ее более высокой эксергии, т.е. создаются структуры, обладающие низкой энтропией, что на первый взгляд противоречит второму закону термодинамики. Совместимость второго начала термодинамики со способностью живых систем создавать высокоорганизованные структуры и поддерживать в них порядок обосновал нобелевский лауреат И. Пригожин (1962, 1986, 1994). Он показал, что способность к самоорганизации может встречаться в системах, далеких от равновесных, но обладающих хорошо развитыми «диссипативными структурами» (рассеивающими структурами), откачивающими неупорядоченность. Упорядоченность природной экосистемы, т.е. структура биоценоза, поддерживается за счет дыхания всего сообщества организмов, которое постоянно «откачивает» из нее неупорядоченность, т.е. рассеивает лишнее тепло. Таким образом, биосфера, с уникальными функциями преобразования солнечной энергии в концентрированную энергию органических веществ в растениях и системой обратных связей является структурой энергетического упорядочивания. В противоположность этому, чем больше развита цивилизация, тем больше ее потребности в концентрированной энергии, запасаемой в природе. Три четверти энергии, потребляемой в современном мире, поступает от сжигания невозобновляемого ископаемого топлива: нефти, угля, природного газа. Следовательно, современная техносфера повышает энтропию окружающей среды, рассеивая упорядоченно концентрированную (в настоящем и прошлом) энергию. Итогом подобной «деятельности» может быть только разрушение биосферы и в гораздо больших масштабах, чем на любом предыдущем этапе человеческой истории.

13. Трофические цепи. Закон Линдемана и качество энергии, экологические пирамиды. Продуктивность экосистем. Техногенное влияние на энергопотребление в биосфере.

Потоки энергии в пищевых цепях. В естественных природных экосистемах не существует отходов. Все организмы, живые или мертвые, являются пищей для других организмов. Перенос энергии пищи в процессе питания (основной источник жизнедеятельности в экосистемах) от ее источника через последовательный ряд живых организмов называется пищевой, или трофической цепью.

Трофические цепи – это путь однонаправленного потока солнечной энергии, поглощенной в процессе фотосинтеза, через живые организмы экосистемы в окружающую среду, где неиспользованная часть ее рассеивается в виде низкотемпературной тепловой энергии.

Трофические цепи делятся на два основных типа: пастбищные и детритные (лат. detrytys – продукт распада).

Пастбищная цепь тянется от зеленых растений к консументам: растительноядным животным и затем к плотоядным животным (хищникам).

Детритная цепь начинается с мертвого органического вещества – детрита, который разрушается детритофагами ( лат. phagos – пожиратель), поедаемыми мелкими хищниками, и заканчивается работой редуцентов, минерализующих органические остатки.

Все организмы экосистем вовлечены в сложную сеть пищевых взаимоотношений. Пищевые цепи тесно переплетаются друг с другом, образуя пищевые, или трофические сети.

Организмы, получающие энергию Солнца через одинаковое число ступеней, принадлежат к одному трофическому уровню.

Так, зеленые растения – продуценты – занимают первый трофический уровень; травоядные животные – первичные консументы – второй; хищники – вторичные консументы – третий. Могут присутствовать хищники, поедающие первых хищников – третичные консументы, расположенные на четвертом уровне, и т.д. Но обычно наблюдается не более пяти уровней, так как на каждом уровне количество аккумулированной энергии резко падает (табл. ).

Данную особенность отражают экологические пирамиды, показывающие распределения количества энергии в пищевых цепях – на каждом предыдущем трофическом уровне количество энергии, аккумулированной в единицу времени, больше, чем на последующем. Они графически изображаются в виде поставленных друг на друга прямоугольников равной высоты, длина которых соответствует масштабам продукции на соответствующих трофических уровнях. Эта закономерность справедлива не только для энергии, но и для численности, и биомассы организмов.

На первом трофическом уровне в энергию пищи превращается лишь около 1% солнечного света. Вторичная продукция на каждом последующем трофическом уровне консументов составляет около 10% от предыдущей.

Эта закономерность носит название закона Линдемана, открытого им в 1942 г., или «правила 10%». Согласно этому закону в среднем только 10% от количества энергии, поступившей на трофический уровень, передается организмам, находящимся на последующем трофическом уровне. Так, количество энергии, которое доходит до третичных консументов, составляет около 10-4 энергии, поглощенной продуцентами. Это объясняет ограниченное число звеньев в пищевой цепи – редко до пяти-шести.

Продуктивность экосистем - это скорость, с которой живые организмы экосистемы производят полезную химическую энергию, заключенную в их биомассе. Продуктивность рассчитывается как количество энергии, аккумулированной организмами за единицу времени на единице площади [для наземных экосистем) или в единице объема (для водных экосистем).

Продуктивность экосистем характеризует их способность концентрировать солнечную энергию в продукцию органических веществ (биомассу) растений и организмов. Различают следующие виды продукции:

Валовая первичная продукция - органическое вещество, которое синтезируется растениями в единицу времени на единице площади или объема, включая ту его часть, которая расходуется на дыхание растений.

Чистая первичная продукция - органическое вещество, накопленное в растительных тканях в единицу времени на единице площади или объема, за вычетом той части, которая израсходована на дыхание растений за то же время.

Население Земли составляет около 6,0 млрд человек, каждому требуется ежегодно почти 1 млн ккал пищи, т.е. человечеству необходимо только на питание 61015 ккал энергии. В мире ежегодно собирается около 7·1015 ккал первичного органического вещества, но из-за неравномерного распределения, потерь и низкого качества части урожая этого количества энергии оказывается недостаточно. Кроме того, человек использует первичную продукцию не только как пищу, но и в виде волокон (хлопок, лен), и в качестве топлива (древесина и др.). В некоторых странах деревья сжигают гораздо быстрее, чем они могут расти, и леса превращаются в пустыни.

Описание потоков энергии является фундаментом экологического анализа для прогнозирования выхода полезных для человека продуктов.

Первичная продукция агроценозов и природных сообществ - основной источник пищи для человечества. Важна и вторичная продукция, так как животные белки включают ряд незаменимых аминокислот, которых нет в растительной пище. Пользуясь расчетами продуктивности экосистем, можно регулировать в них круговорот веществ, добиваясь выхода выгодной для человека продукции. Но необходимо хорошо представлять допустимые пределы изъятия растительной и животной биомассы (до 50÷60%), чтобы не разрушить экосистемы.
14. Геоисторическая эволюция биосферы, точки Пастера, состав и границы биосферы. Учение В.И.Вернадского о биосфере.

Образование и геоэволюция биосферы

Земля, Луна и другие планеты солнечной системы, образовались за счет аккреции (слипания и дальнейшего роста) твердых частиц газопылевого протопланетного облака около 4,5 млрд. лет тому назад.

Молодая Земля сразу же после образования была относительно холодным космическим телом и в ее недрах температура не превышала температуры плавления земного вещества, отличалась достаточно однородным составом: без ядра, мантии и др. В течение первых 600 млн. лет жизни нашей планеты (катархейская эпоха) на ее поверхности полностью отсутствовала гидросфера, а молодая атмосфера была исключительно разреженной и состояла в основном из газов водорода и гелия. И лишь по завершении данной стадии первозданного состояния Земля перешла на главную последовательность развития планет земной группы.

Самое заметное влияние на формирование Земли оказывали лунные землетрясения, вызываемые интенсивными приливными деформациями её поверхности (более 1,5 км) и сопровождавшиеся механическим разрушением и расплавом первичных грунтов с дальнейшим образованием соединений железа и пористых реголитов.

Возникновение первых признаков жизни на Земле относится уже к архейской эпохе (3,8-3,9 млрд. лет). Это связано с началом дегазации земного вещества, развитием вулканической деятельности и появления восстановительной атмосферы и первичного, еще фрагментарного Мирового океана. Это отклонение в развитии нашей "космической" протопланеты в земную сторону связано прежде всего с началом процесса дифференциации земного вещества и последующим формированием ядра и мантии Земли (Ушаков С.А. и др.).

Существенные изменения происходили в атмосфере и гидросфере. По мере возрастающей потери водорода в атмосфере появилось большое количество азота, углекислого газа, метана и паров воды. Под воздействием больших потоков энергии: ультрафиолетового и ионизирующего излучения Солнца, электрических разрядов в атмосфере и вулканической деятельности сформировалась восстановительная вторичная атмосфера. В этих условиях начал развиваться абиотический синтез с образованием аминокислот, пуринов, сахаров, липидов и других простейших образований. Их растворение в водоемах, а также в парах воды способствовало образованию "первичного бульона" гидросферы Земли, а в дальнейшем и появления процесса синтеза органических веществ. Это способствовало появлению первых форм жизни на Земле в пропитанных водой и элементоорганическими соединениями вулканических грунтах и водоемах.

Следующим важнейшим этапом в развитии жизни на Земле стало появление около 3,5 млрд. лет назад хлорофиллоносных организмов, способных осуществлять фотосинтез, т.е. использовать экзогенный источник энергии (солнечную радиацию) для синтеза из углекислого газа, воды и минеральных элементов всех органических веществ, необходимых для жизни. Данные организмы оказались способны трансформировать солнечную энергию в биохимическую и аккумулировать ее для дальнейшего вовлечения новых порций земного субстрата в биосферный цикл. Это положило начало качественно новому этапу в развитии самой биосферы.

Дальнейшая тектоническая история земли убедительно показала теснейшую связь эндогенных факторов со всеми известными этапами развития живых организмов. Так последовательность образований и распадов древних протерозойских суперконтинентов (Моногея, Мегагея и др.) и связанное с этим обильное поступление железа из рифтовых зон в океаны связывало весь синтезируемый синезелеными водорослями кислород. Поэтому весь этот период времени (3,5 млрд. лет  0,6 млрд. лет назад) его содержание в атмосфере Земли было ничтожным. И лишь только исчезновение железа в выходах мантии в конце протерозоя определило быстрый рост количества свободного кислорода в атмосфере, последующее прохождение зарождающейся биосферой трех состояний Пастера и бурное развитие живых организмов на суше (Ушаков С.А., Сорохтин и др. 2000; Степановских А.С.2001).

Данный геохимический рубеж является самым значимым для биосферы после появления фотосинтеза. Атмосфера из восстановительной превратилась в окислительную. Стал формироваться озоновый экран Земли, что по сути и определило кардинальный разворот к быстрому формированию благоприятных условий для возникновения жизни и на суше Земли.

Обилие аналогичных геохимических барьеров (рубежей) отмечается в палеозое и мезозое. Формирование последнего известного суперконтинента Пангеи в раннем мезозое (300 млн. лет назад) наряду со значительной трансгрессией океана захоронило под водой значительные запасы органического вещества. Дальнейшая их анаэробная, высокотемпературная и биохимическая трансформация способствовала образованию огромных запасов углеводородного сырья на планете.

Потепление климата во время существования Пангеи и наличие озона в атмосфере способствовало бурному развитию гигантских рептилий, пресмыкающихся и земноводных, т.е. выходом животных на сушу. Однако следующее деление суперматерика, расхождения его частей от рифтовых зон в океанах и похолодание климата, уничтожили эту цивилизацию на рубеже кайнозоя. Сохранившиеся млекопитающие и покрытосеменные растения в силу их большей приспособленности стали следующими доминантами в живой природе. Видовое разнообразие млекопитающих увеличивалось в 4-5 раз быстрее, чем у рептилий и пресмыкающихся.

Таким образом, моноконтинент с единственным (хоть и гигантским) ареалом распространения популяций ограничивал развитие видового разнообразия. И, наоборот, его распад на отдельные фрагменты снял это ограничение. Поэтому отмеченные тектоно-геохимические барьеры маркируют природные экологические катастрофы, резкие смены экологических условий и стимулируют ускоренное развитие в следующий тектонически более спокойный период наиболее приспособленных (сохранившихся) растений и организмов. Это нельзя объяснить влиянием только космических факторов (солнечно-земными связями), хотя уникальность Земли как космического тела бесспорна. Данные глобальные барьеры и сопровождающие их нарушения вещественных и энергетических балансов природной среды прямо зависят от глобальных тектонических процессов в течение всего геологического времени существования нашей планеты.

Вместе с тем, появление и развитие биосферы являлось результатом действия многофакторных процессов и носило системный характер. Так, все экологические ниши, существовавшие на Земле после ее возникновения, были заняты биосферой. При этом почти 4 млрд. лет развитие шло преимущественно в водной среде от простейших протоценозов в первичном бульоне до сложных водных экосистем в мировом океане палеозоя.

Кардинальное усложнение биосферы и последующий эволюционный взрыв имеют свое начало около 450 млн. лет назад, когда в силу ранее отмеченных причин произошел выход живых организмов на сушу. С этого момента развитие экосистем на материках планеты стало доминирующим. В результате, почти 100%-ное видовое представительство океанических организмов в биосфере Земли на фоне явно положительной тенденции их развития сократилось к настоящему времени до 15÷16%. В целом благоприятное влияние природных факторов на формирование современных экологических условий на Земле, их относительное постоянство в последние 60-70 млн. лет способствовало формированию привычной для нас биосферы.

Сложность строения суши и соответствующую «пестроту» и значительную динамику экологических факторов и условий местообитаний, можно увидеть при анализе распространения значительного числа типов почв и растительности на суше Земли.

Так, наиболее известное природное образование – ландшафт, подразумевает единый геологический фундамент и геологическую историю, а также единый климат. Если при анализе состояния ландшафта учитывается соотношение тепла и увлажнения территории, то в этом случае мы говорим о ландшафтной зоне (биоме)  степной, хвойно-лесной, тундре, пустыне и т.д.

Если на расположение ландшафтных зон решающее влияние оказывает тип атмосферной циркуляции, то в этом случае можно говорить уже о физико-географическом секторе, например, Северо-Американском, где от Атлантического побережья до Кордильер концентрическое расположение ландшафтных зон контролируется преобладающим здесь антициклоном соответствующих размеров.

Когда в качестве определяющих показателей мы видим уже единство неотектоники и геоструктуры, общие черты макрорельефа, наличие широтной зональности и др., то это природное образование будет определяться как физико-географическая страна, например, Русская равнина.

Если рассматривать более низкие структурные уровни биосферы, то их представителями последовательно будут биогеоценоз (элементарный ландшафт)  экосистемы более низких уровней (урочища  фации ...биотоп). При этом можно отметить такую закономерность, что в пределах верхних структурных уровней биосферы, начиная от элементарного ландшафта (биогеоценоза) и в более крупных пространственных образованиях (ландшафт  ландшафтная зона (биом)  физико-географическая страна  физико-географический сектор) роль биологических процессов в их функционировании значительно уменьшается. Преимущественное значение имеют геоматические  геоморфологические, геологические, гидроклиматические и др. процессы, формирующие условия местообитаний живых организмов. Живые организмы экосистем более заметное влияние имеет в мелких типах местообитаний, но и в этом случаях биотоп в целом остается ведущим, а живые организмы, будучи «приглашенными» в данную нишу и даже значительно изменив ее, имеют все-таки роль ведомого, т.к. более уязвимы как перед факторами среды, а также и техногенным воздействием.

Отмеченная сложность строения и многогранность свойств биосферы делает научно-системный подход единственно приемлемым для принятия обоснованных решений:

– по оценке влияния и прогнозу техногенных воздействий на динамику

экологических условий на всех структурных уровнях биосферы;

– по организации оптимального природопользования;

– по охране окружающей среды.

Это, кстати, превосходно продемонстрировал В.И.Вернадский. Будучи всесторонне подготовленным ученым-энциклопедистом и обладая лишь скудной по современным меркам информацией, он тем не менее почти на полвека опередил научную мысль планеты в выработке экосовместимой перспективы существования человечества, аргументировано обосновав неизбежность переход биосферы в состояние ноосферы.

Учение Вернадского

Научный и практический вклад В. И. Вернадского уже известного как основателя учения о биосфере состоит в том, что он впервые глубоко обосновал единство чел­века и биосферы. Сама живая материя, как носитель разума, отмечал В. И. Вернадский, составляет небольшую часть биосферы по массе. Однако именно появление человека на Земле предопределило неизбежность возникновения нового состояния биосферы  переход ее в ноосферу, оболочку разума, охва­ченную целенаправленной деятельностью самого человека. Впервые сформулирована историческая перспектива возможности выживания человечества в пределах биосферы, управляемой разумом на основе биоцентрических законов и с выводом за рамки применения превалирующей ныне антропоцентрической психологии безнаказанного природопокорительства.

В. И. Вернадский, оценивая роль человеческого разума и научной мысли, делает следующие выводы:

 ход научного творчества является той силой, которой человек меняет биосферу, в которой он живет;

 это проявление изменения биосферы есть неизбежное явление, сопут-ствующее росту научной мысли;

 это изменение биосферы происходит независимо от человеческой воли, стихийно, как природный естественный процесс;

 а так как среда жизни есть организованная оболочка планеты  биосфера, то вхождение в нее в ходе ее геологически длительного существования, нового фактора ее изменения  научной работы человечества  есть природный процесс перехода биосферы в новую фазу, в новое состояние  в ноосферу;

 в переживаемый нами исторический момент мы видим это более ясно, чем могли видеть раньше. Здесь вскрываются перед нами «законы природы». Новые науки  геохимия и биоге­охимия  дают возможность впервые выразить некоторые важные черты процесса математически.

Выводы о том, что биосфера неизбежно превратится в ноосферу, т.е. сферу, где разум человека будет играть доминирующую роль в развитии системы человек  природа, получили название закона ноосферы В. И. Вернадского.

15. Общие экологические закономерности организации биосферы. Законы экодинамики Ю.Голдсмита. Взаимодействие биосферы с космосом.

Общие экологические закономерности организации биосферы

Конечно же, для биосферы наиболее важны многофакторные процессы взаимодействия живого и неживого вещества природы, что отразил В.И.Вернадский в законе о биогенной миграции атомов, определив возможности сознательного управления биогеохимическими процессами на различных структурно-пространственных уровнях ее организации. Им же были сформулированы законы константности количества живого вещества в пределах геологических эпох (в условиях природно-климатического постоянства) и его физико-химического единства. Это в совокупности и объясняет глобальное динамическое равновесие в биосфере. Поскольку живая субстанция экосистем по сути своей лишь посредник между Солнцем и Землей, тогда либо ее объем не меняется, либо должны измениться вещественно-энергетические параметры ее существования.

Развитие идей В.И.Вернадского и собственные исследования Ю.Голдсмита позволили ему сформулировать четыре закона экодинамики. Первый является прямым следствием выше перечисленных и формулирует, что “информационная и соматическая структура биосферы постоянны”. Второй закон гласит, что биосфера и ее подсистемы в своем развитии не выходят за рамки вещественно энергетических возможностей природы и стремятся к состоянию экологического равновесия (зрелости)  “закон стремления к климаксу”. Логическим продолжением этого в рамках экодинамики является третий закон  “принцип экологического порядка”, объясняющий взаимообусловленность целого и частного в биосфере и ее подсистемах, свойства стабильности и отторжение природой инородных (в том числе и антропогенных) образований. В тех случаях, когда рассматривается реакция экосистем на внешние воздействия и адаптация к изменениям в окружающей среде, то определяющим их поведение будет четвертый закон  “самоконтроля и саморегуляции”. Совместное действие всех перечисленных законов формирует правило “автоматического поддержания глобальной среды обитания”. В согласии с ним живая часть экосистем поддерживает пригодные условия среды обитания, противодействуя в пределах устойчивости внешним разрушающим факторам.

Отдельно следует остановиться на взаимодействии биосферы с космосом, а точнее с Солнцем, имеющим превалирующее значение. Биосфера весьма существенно трансформирует солнечно-земные связи. Так, на треть поглощается поток суммарной солнечной радиации, а озоновым слоем – жесткое ультрафиолетовое излучение Солнца и т.д. Наряду с этим, многие процессы в биосфере оказываются под влиянием ритмической составляющей состояния Солнца. В колебаниях абиотических параметров и состояния неживой природы (температура воды и воздуха, повторяемости тропических ураганов, явления “Эль-ниньо” и др.), а также количественных показателей популяций отдельных видов (птиц, рыб, планктона, саранчи и др.) отмечается высокая корреляция с периодическими изменениями солнечной активности. Учет таких зависимостей весьма важен, например, при оценке негативного эффекта техногенных воздействий на природу.

В случае с легендарной “переброской” части стока северных рек в бассейн р. Волги и Каспия, где ощущался дефицит воды, при проведении проектно-изыскательских работ вдруг выяснилось, что виной этому является не хозяйственная деятельность, а очередной климатический минимум, вызванный колебанием солнечной активности. Его окончание довольно скоро вызвало естественный подъем уровня воды в Каспийском море. Хорошо, что природа в этом случае “поторопилась” …



16. Современная эволюция Биосферы. Ноосфера. Коэволюция человека и биосферы.

3.4. Современная эволюция Биосферы.



Ноосфера. Коэволюция человека и Биосферы.

переход в эпоху ноосферы является одним из актов “приспособления” человечества с опорой на силу разума, а не инстинктов и рефлексов, как у других организмов.

Под ноосферой понимают сферу взаимодействия природы и общества, в которой разумная деятельность людей становится главным, определяющим фактором развития. Название «ноосфера» происходит от греческого «ноос» — разум и, таким образом, обозначает сферу разума. Понятие ноосферы ввели в 1927 году французские ученые: математик Э. Леруа и геолог-палеонтолог

П. Тейер де Шарден. Они, качественно оценив потенциал воздействия человека на природу, увидели ней современную геологическую стадию (силу) развития биосферы (Э. Леруа), а также «мыслящий пласт», который разворачивается над миром растений и животных – вне биосферы и над ней» и способный вызвать значительные изменения в ее состоянии (П. Тейер де Шарден).

Научный и практический вклад В. И. Вернадского уже известного как основателя учения о биосфере состоит в том, что он впервые глубоко обосновал единство чел­века и биосферы. Сама живая материя, как носитель разума, отмечал В. И. Вернадский, составляет небольшую часть биосферы по массе. Однако именно появление человека на Земле предопределило неизбежность возникновения нового состояния биосферы  переход ее в ноосферу, оболочку разума, охва­ченную целенаправленной деятельностью самого человека. Впервые сформулирована историческая перспектива возможности выживания человечества в пределах биосферы, управляемой разумом на основе биоцентрических законов и с выводом за рамки применения превалирующей ныне антропоцентрической психологии безнаказанного природопокорительства.

В. И. Вернадский, оценивая роль человеческого разума и научной мысли, делает следующие выводы:

 ход научного творчества является той силой, которой человек меняет биосферу, в которой он живет;

 это проявление изменения биосферы есть неизбежное явление, сопут-ствующее росту научной мысли;

 это изменение биосферы происходит независимо от человеческой воли, стихийно, как природный естественный процесс;

 а так как среда жизни есть организованная оболочка планеты  биосфера, то вхождение в нее в ходе ее геологически длительного существования, нового фактора ее изменения  научной работы человечества  есть природный процесс перехода биосферы в новую фазу, в новое состояние  в ноосферу;

 в переживаемый нами исторический момент мы видим это более ясно, чем могли видеть раньше. Здесь вскрываются перед нами «законы природы». Новые науки  геохимия и биоге­охимия  дают возможность впервые выразить некоторые важные черты процесса математически.

Выводы о том, что биосфера неизбежно превратится в ноосферу, т.е. сферу, где разум человека будет играть доминирующую роль в развитии системы человек  природа, получили название закона ноосферы В. И. Вернадского.

В дальнейшем эволюции биосферы и переходу ее в ноосферу были посвящены научные работы многих зарубежных и отечественных исследователей. Так,

М. М. Камшилов (1974), рассматривая эволюцию биосферы, отмечал (рис. ):

1  в большом абиотическом круговороте веществ (А) возникла

биосфера (Б);

2  по мере развития жизни она расширяется;

3  в ней появляется человеческое общество (Ч);

4  человеческое общество начинает поглощать вещество и энергию не

только через биосферу, но и непосредственно из абиотической среды (Т);

5  биосфера, превратившаяся в ноосферу (Н), развивается под контролем разумной деятельности человека (ноогенез); управление взаимными отношениями человеческого общества и природы осуществляется с помощью ноогенетики; жизнь, развиваясь по пути ноогенеза, все полнее осваивает вещество, энергию и потенциал информации неживой природы, распространяясь за пределы Земли (пунктирные линии).

Обобщая значительный фактический материал по биосфере, по особенностям взаимодействия человеческого общества и природы, А.С. Степановских [ ], характеризует формирующуюся ноосферу следующими основными признаками:

 возрастающим количеством механически извлекаемого материала литосферы  ростом разработки месторождений полезных ископаемых. В 90-х годах XX столетия оно превышало 100 млрд. т в год, что в 4 раза больше массы материала, выносимого речным стоком в океан в процессе денудации суши;

 массовым потреблением продуктов фотосинтеза прошлых геологических эпох, главным образом в энергетических целях. Химическое равновесие в биосфере в связи с этим смещается в сторону, противоположную глобальному процессу фотосинтеза, что неизбежно приводит к росту содержания углекислого газа в биосфере и уменьшению содержания свободного кислорода;

 процессы в ноосфере приводят к рассеиванию энергии Земли, а не к ее накоплению, что являлось характерным для биосферы до появления человека. Возникает важная энергетическая проблема;

 в ноосфере создаются в массовом количестве вещества, которые ранее в биосфере отсутствовали. Происходит металлизация биосферы;

 характерно для ноосферы появление новых трансурановых химических элементов в связи с развитием ядерной технологии и ядерной энергетики. Овладение ядерной энергией происходит за счет деления тяжелых ядер. Предвидится в недалеком будущем получение термоядерной энергии за счет синтеза легких ядер, что позволит полностью отказаться от горючих полезных ископаемых в качестве источника энергии;

 ноосфера выходит за пределы биосферы в связи с огромным прогрессом научно-технической революции. Возникла космонавтика, которая обеспечивает выход человека за пределы планета Земля. Происходит освоение околоземного и космического пространства с непредвиденными возможностями. Создается принципиальная возможность создания искусственных биосфер на других планетах;

 с образованием ноосферы планета Земля переходит в новое качественное состояние. Если биосфера  это сфера Земли, то ноосфера  это сфера Солнечной системы и в будущем станет ее областью для реализации познавательных и производственных интересов человеческого общества.

Однако ряд отечественных и зарубежных ученых (В. Л. Барсуков и А. Л. Яншин, 1988; В. А. Кутырев, 1990 и др.) считая закон ноосферы В. И. Вернадского справедливым по своей сути, относят его больше к религиозной или социальной утопии. По их мнению, он точен в том смысле, что если человечество не начнет разумно регулировать свою численность и давление на природу, в соответствии с ее законами, то в измененном виде биосфера сохраниться, а цивилизация, и вид «человек разумный» не исключено, что погибнут.

Существенным уточнением этого является мнение Н.Н. Моисеева (1997) о том, что развитие цивилизации возможно только через коэволюцию с биосферой Земли. Вопрос лишь в том, что воспользуется ли человечество такой перспективой и сможет научиться (по Н. Ф. Реймерсу 1994), управлять не столько природой, а прежде всего собой и мерой воздействия на окружающую среду. Временная неопределенность реализации данного прогноза, конечно, существует. Одно несомненно, что это необходимо осуществлять. Неизбежность этого также является смыслом закона ноосферы В. И. Вернадского, ибо другую историческую возможность в столь короткое докризисное время вряд ли удастся найти.

17. Строение и состав атмосферы. Границы биосферы и техносферы.

4.2. Атмосфера.

Атмосфера — газообразная оболочка планеты, состоящая из сме­си различных газов, водяных паров пыли, и являющася транспортным звеном вещественного круговорота планеты, процессов тепло- и влагопереноса. Через атмосферу осуще­ствляется обмен вещества Земли с Космосом. Земля получает косми­ческую пыль и метеоритный материал, теряет самые легкие газы; водород и гелий. Атмосфера Земли насквозь пронизывается мощной радиацией Солнца, вызывающей диссоциацию молекул атмосферных газов и иони­зацию атомов. Значительное множество свойств атмосферы определяется ее структурой и составом, сформировавшимися под влиянием гравитационного поля Земли, ее глобальной геологической эволюции и процессов планетной дегазации, а также в результате физико-химического взаимодействия с Мировым океаном.

4.2.1. Структура и состав атмосферы

Атмосфера имеет четко выраженное слоистое строе­ние. Нижний, наиболее плотный слой воздуха — тропосфе­ра. В зависимости от широты Земли ее высота от 8 км (на полюсах) до 16 км (на экваторе). Здесь содержится 80 % массы атмосферы и до 80% водяного пара, развива­ются физические процессы, формирующие погоду и влияющие на климат различных районов нашей планеты.

Над тропосферой до вы­сот около 50 км расположена стратосфера. В ней находится озоновый слой, поглощающий большую часть ультрафиолетовой радиации и предохраняющий жизнь на Земле. Выше находятся мезосфера (до 80км) и термосфера (до≈105 км), которые характеризуются противоположными градиентами температур (падение до -90°С и обратный рост до -20÷30°С). Перечисленные слои атмосферы являются щитом биосферы, так как защищают ее от Rx, УФ- и корпускулярной составляющих солнечного излучения и в них сгорают метеориты.

В ионосфере (до 10.000 км) отмечается повышенная ионизациия молекул газа, развитие магнитных бурь и рост температур более 1000°С. Этот слой также оберегает все живое от вредного воздействия космической радиации и влияет на отражение и поглощение радио­волн. Плотность воз­духа в нем с увеличением высоты убывает, приближаясь к разреженности вещества в космическом пространстве.

Принято выделять постоянные и переменные компоненты атмосфе­ры в зависимости от длительности пребывания в атмосфере. Таким при­мером является вода, находящаяся в атмосфере в разных формах и кон­центрациях. В то же время такое подразделение составных частей атмос­феры является относительным, так как в течение длительных интервалов времени все компоненты атмосферы оказываются переменными. При­близительный состав атмосферы представлен в таблице 4.3. Главными составными частями атмосферы являются азот, кислород, аргон и углекислый газ.

Азот, содержание которого в атмосфере составляет 78,084%, яв­ляется инертным разбавителем наиболее важной для жизни челове­ка, животных и растений составной части воздуха – кислорода (20,946%).

Сейчас го­довое производство О2 составляет 100-150 млрд. тонн, и все это тратится на дыхание живых организмов, окисление горных пород и различных видов топлива при его сжигании.

Углерод - основной элемент органической молекулы. Растения получают его, фиксируя атмосферный СО2, а остальные живые су­щества – поедая растения, органические остатки или других жи­вотных. Углекислый газ, образующийся в результате дыхания, воз­вращается в атмосферу. Следует отметить, что часть углерода систе­матически выводится из этого цикла.

Одним из важнейших компонентов атмосферы является озон О3 . Только с его появлением природа Земли смогла «выбраться» из океана, где спасалась от губительного солнечного излучения. Основная функция озона связана с поглощением жесткой ультрафио­летовой радиации Солнца (λ < 280 нм). Он задерживает также около 20% инфракрасного излучения Земли, по­вышая утепляющее действие атмосферы. Максимальная концентрация озона наблюдается на высоте 22÷26 км, что объясняется балансом скоростей его формирования и разрушения. При этом следует отметить чрезвычайно высокую эффективность действия озонового «экрана», поскольку приведенная толщина озонового слоя при нормальном давлении составила бы на высоте 25 км всего … 3 мм.

В целом, мощность воздушной оболочки, эффективно защищающей жизнь планеты от космоса составляет около 1,5 тыс. км. При этом плотность атмосферы максимальна (0,001 г/см³) на уровне моря (в 1000 раз легче воды), а на верхних границах ее разреженность увеличивается в миллиарды раз. Но тем не менее именно «невесомый» воздух защищает биосферу от губительного воздействия космоса. Пробить эту «броню» в состоянии лишь крупные метеориты, с исходной массой в десятки и сотни тонн.

18. Циркуляционные особенности и условия трансформации, переноса и локализации загрязнений в атмосфере

18. Циркуляционные особенности и условия трансформации, переноса и локализации загрязнений в атмосфере.

Атмосфера Земли постоянно циркулирует: поднимающийся вверх теплый воздух у экватора замещается холодными воздушны­ми потоками, движущимися от полюсов.

Направление ветра зависит от величины перемещающего воз­душные массы градиента атмосферного давления, а скорость вет­ра возрастает с увеличением перепада атмосферного давления. Воздушные массы могут перемещаться потоками, параллельны­ми поверхности Земли, а также вертикальными струями, которые возникают под действием тепловых градиентов. Турбулентное пе­ремешивание приземного слоя атмосферы может происходить при взаимодействии с поверхностью почвы или при тепловом рассло­ении атмосферы. Механические и температурные перемещения наблюдаться могут одновременно. На содержание вредных веществ в атмосфере оказывает влияние их рассеивание турбулентными потоками, действие осадков или их грави­тационное оседание.

Атмосфера является термодинамической системой. Вследствие уменьшения давления при подъеме воздушных масс объем воздуха возрастает, а его температура снижается. Воздушная масса при опус­кании уменьшается в объеме, а ее температура возрастает. Данный процесс рассматривается, как адиабатический. Градиент темпера­туры составляет -0,6°С на каждые 100 м (-6°С на 1 км) вертикального подъема. В реальных условиях распределение температуры в воздушной массе не всегда подчиняется этому закону. Различают три типичных состояния атмосферы: нейтральное, неустойчивое и устойчивое.

Неустойчивое со­стояние атмосферы, связанное в основном с циклональным типом погоды, ярко выраженной фронтальной деятельностью, протяженными трассами быстрого и направленного переноса воздушных масс, а также выпадением основного количества осадков. Это способствует не только значительному перемешиванию и очистке приземного слоя от загрязнителей, но и их переносу на сотни и тысячи километров. По этой причине кислотные дожди американского происхождения выпадают в Канаде, а западноевропейского  в Швеции, Норвегии и на северо-западе России. Выпадение радиоактивных осадков после чернобыльской аварии происходило в Польше, Швеции, Норвегии, Германии, Франции, Англии и ряде других удаленных стран.

При устойчивом состоянии атмосферы, связанным с антициклональным, безветренным и безоблачным типом погоды, рассеивание вред­ных веществ незначительно. При этом наблюдается их значительная концентрация в непосредствен­ной близости от источника выбросов. Ситуация усугубляется инверсией приземного градиента температур. Формирующийся в результате ночного выхолаживания земной поверхности положительный градиент температур (до 200300м) препятствует в условиях безветрия также и вертикальному подъему загрязненного воздуха. В таких случаях мы наблюдаем образование смогов со всеми сопутствующими последствиями.

19. Естественные и искусственные источники загрязнений, соотношение их воздействий на атмосферу, классификация.

Загрязнение атмосферы может быть естественным и искусственным. Среди естественных факторов выделяются:

– внеземное загрязнение воздуха космической пылью и косми­ческим излучением;

– земное загрязнение атмосферы при извержении вулканов, вы­ветривании горных пород, пыльных бурях, лесных пожарах, возни­кающих от ударов молний, выносе морских солей.

Естественное загрязнение атмосферы разделяется на кон­тинентальное и морское, а также неорганическое и органическое. К источникам органического загрязнения относят аэро-планктон-бактерии, в том числе болезнетворные, споры грибов, пыльцу растений (включая и ядовитую пыльцу амброзии) и т. д.

На долю естественных факторов в конце XX столетия приходилось 75% общего загрязнения атмосферы. Остальные 25% возникали в ре­зультате деятельности человека.

Искусственное загрязнение атмосферы разделяют на радиоак­тивное, электромагнитное, шумовое, дисперсное и газообразное, а также по отраслям промышленности и видам технологических про­цессов.

20. Основные химические примеси, загрязняющие атмосферу, специфика их воздействия на здоровье человека и окружающую среду.

Главными и наиболее опасными источниками загрязнения ат­мосферы являются промышленные, транспортные и бы­товые выбросы. По особенностям строения и характеру влияния на атмосферу загрязнители, как правило, подразделяют на механичес­кие и химические (табл.4.4) и их максимум приходится на развитые регионы – США, Канаду и Западную Европу. Из химических загрязнений наиболее значимыми являются углекислый газ СО2 и угарный газ СО, диоксид серы SО2, метан СН4, оксиды азота NО2, NO и N2О. При использовании аэрозолей в атмосферу поступают хлорфторуглероды (ХФУ), в результате работы транспорта — углеводороды (бенз(а)пирен и др.).

В России общее количество загрязняющих веществ составило в 1999 году 79,6 млн. тонн. Из них четвертая часть – 15,7 млн. тонн выбрасываются в ат­мосферу без очистки.

Превышение допустимых концентраций вредных веществ в ат­мосфере в 1999 году отмечалось в 195 городах и промышленных центрах с населением свыше 64 млн. человек или около 44% населе­ния России. Неблагоприятная ситуация отмечается в городах Архангельск, Липецк, Москва, Норильск, Братск, Екатеринбург, Каменск-Уральский, Кемерово, Красноярск, Нижний Тагил, Уфа, Стерлитамак, Челябинск, Магнитогорск, Новокузнецк, Омск, Череповец.



21. Изменение состава и параметров атмосферы. Экологические последствия загрязнений кислотные дожди; парниковый эффект; разрушение озонового слоя.

4.2.3. Физические и экологические последствия загрязнения атмосферы.

Атмосфера Земли и особенно ее нижний слой – тропосфера является мощным транспортом по перемещению многочисленных мелкодисперсных примесей и в том числе техногенных загрязнений. Их основной переносчик – аэродинамическая (ветровая) система планеты формируется неоднородным нагревом солнечной радиацией подстилающей поверхности (океан, суша, различные ландшафты и т.п.) и возникающими на основе этого градиентами атмосферного давления в тропосфере.

Сложность и мозаичность картины возникающих термических и барических контрастов в полной мере отражается и на характере атмосферной циркуляции. Закономерности общей и довольно постоянной циркуляции сочетаются с вихревыми крупномасштабными возмущениями в виде циклонов и антициклонов, а также их производных. Движение воздушных масс в основном турбулентное с горизонтальными и вертикальными составляющими, возникающими под действием тепловых градиентов и пе­ремешивания приземного слоя атмосферы, при взаимодействии с поверх- ностью почвы. На содержание вредных веществ и их рассеивание в атмосфере оказывают влияние турбулентность потоков, действие осадков и грави­тационное оседание.

Различают три типичных состояния атмосферы: нейтральное, неустойчивое и устойчивое.

Неустойчивое со­стояние атмосферы способствует как рассе­иванию, так и переносу загрязнителей. Высокие скорости ветра увеличивают раз­бавляющую роль ат­мосферы, способствуя очищению приземного слоя. И, напротив, при устойчивом безвет­рии рассеивание как и основное воздействие вред­ных веществ происхо­дит в непосредствен­ной близости от источника выбросов.

Одним из основных видов загрязнения атмосферы связано с сжиганием ископаемого топ­лива (уголь, нефть), что способствует образованию кислотных осадков и смога.

Кислотные осадки – частицы серной и азотной кислот, образующиеся при поглощении водным паром атмосферы диоксидов серы и азота, и выпадающие на поверхность земли вместе с дождем, туманом, снегом или пылью.

Попадая в озера, кислотные осадки нередко вызывают гибель рыб или всего животного населения. Они также могут вызывать по­вреждения листвы, а часто гибель растений, ускорять коррозию ме­таллов и разрушение здания. Образование кислотных дождей связано с промышленно развитыми районами. Их перенос не ограничивается многими сотнями километров от производящих выбросы теплостанций и промышленных предприятий. Так, в очагах загрязнения США, Германии, Франции и Англии формируются кислотные осадки, выпадающие соответственно в Канаде, Норвегии и Швеции.

По данным Росгидромета на территории России (за исключением Северо-Кавказского региона, Республики Калмыкия, Астраханской области) в конце XX в. ежегодно с осадками выпадало 4,22 млн. тонн серы, 1,25 млн. тонн нитратного азота и 4 млн. тонн суммарного азота (нитратного и аммонийного). Выпадение осадков с повышенной кислотностью (рН<4) в первую очередь относится к северо-западу России, Предуралью, западным и центральным районам Воронежской, Ростовс­кой и Волгоградской областям, акваториям Финского залива и Ла­дожского озера (табл. 4.6).

Среди вредных веществ, содержащихся в воздухе городов, имеется большая группа, обладающих опасной канцерогенной активностью. К ним относятся бензапирен и другие ароматические углеводороды, пос­тупающие от котельных промышленных предприятий и с выхлопными газами автотранспорта.

Исследования канцерогенных веществ, содержащихся в воздуш­ной среде, показывают, что возникновение раковых болезней у людей происходит, в частности, от постоянного суммирования небольших доз канцерогенов в течение длительного времени. Например, для кожи она считается нормальной в пределах от 4,6 до 5,8. При значении выше 5,8 начинается раздражение кожи, слизистой дыхательных путей, глаз.

С увеличением численнос­ти мирового парка автомоби­лей растет валовой выброс вредных продуктов (табл. 4.7). Состав отработанных газов двигателей автомобилей зависит от режима их работы. При разгоне и торможении уве­личивается выброс токсичных веществ. Среди них СО, 8Ох, СН, К, бензапирен и другие. Ми­ровым парком автомобилей с двигателями внутреннего сго­рания ежегодно в атмосферу выбрасывается: оксида углеро­да—260 млн. т, летучих углево­дородов — 40 млн. т, оксидов азота—20 млн. тонн.

Неблагоприятное влияние на организм человека оказывают соеди­нения свинца, имеющиеся в выхлопных газах автотранспорта. Присут­ствие свинца в крови человека приводит к снижению активности ферментов, учас­твующих в насыщении крови кислородом, к нарушению обменных процессов. На западе европейской территории России его среднегодовая концентрация составляет 8÷15 мг/м3 в Сибири (Баргузинский заповедник)–3,7 мг/м3. Уровни бензапирена индустриальных районов страны фоновые достигают 0,4 ÷ 0,5 мг/м3, в высокогорных районах и в регионе оз. Байкал колеб­лется в пределах 0,01÷0,1 мг/м3.

В местах активного использования газотурбинных и ракетных дви­гателей (аэродромы, космодромы, испытательные станции) загрязне­ния от этих источников сопоставимы с загрязнениями от автотранспор­та. Суммарный выброс токсичных веществ в атмосферу самолетами растет. Это обусловлено главным образом повышением расхода топ­лива и увеличением авиационного парка.

Фоновые концентрация загрязнителей в теплый период года, как правило, в 2÷8 раз ниже. Зимой повышение концентрации загрязнителей связано с ухудшением метеоусловий их рассеяния, увеличением количества промышленных выбросов, замед­лением трансформации веществ при низкой температуре воздуха

В атмосферном воздухе, в первую очередь промышленных центров и городов, в результате сложных химических реакций смеси газов (главным образом окислов азота и углеводородов, содержащихся в выхлопных газах автомобилей), протекающих в нижних его слоях под действием солнечного света, образуются различные вещества, ядовитый туман – «смог». Его появлению способствуют устойчивое (антициклональное) отсутствие ветра и дождя, а также наличие «запирающего» приземного роста температуры воздуха с высотой (температурной инверсии).

Смог крайне вреден для живых организмов. Во время смога ухудшается самочувствие людей, резко увеличивается число легочных и сердечно-сосудистых заболеваний, возникают эпидемии гриппа. Густой ядовитый туман, появляющийся в осенне-зимнее время, получил название смога лондонского типа. Его главным компо­нентом является сернистый газ, вызывающий катар верхних дыхатель­ных путей, бронхит. Более опасный тип смога – фотохимический, или лос-анджелесский, наблюдающийся в теплое время года, например в Нью-Йорке, Бостоне, Детройте, Чикаго, Милане, Мадриде. Он возникает в воздухе, загрязненном выбросами автотран­спорта, под действием солнечной радиации и в результате фотохими­ческих реакций. Фотохимический смог вызывает раздражение глаз, слизистых оболочек носа и горла, обострение легочных и различных хронических заболеваний, приводит к болезни и гибели домашних животных, растений. Он вызывает коррозию металлов, растрескива­ние красок, резиновых и синтетических изделий, порчу одежды.

Одним из вредных компонентов смога является и озон (О3). В крупных городах при образовании смога его естественная концент­рация (1 • 10-8 %) повышается в 10 и более раз. Озон здесь начинает оказывать вредное воздействие на легкие и слизистые оболочки че­ловека и на растительность.

С антропогенными изменениями атмосферы связано и разрушение озонового слоя, который является защитным экраном от ультрафиоле­тового излучения. Особенно быстро процесс разрушения озонового слоя происходит над полюсами планеты, где появились так называемые озо­новые дыры. В 1987 году зарегистрирована расширяющаяся год от года (темпы расширения — 4% в год) озоновая дыра над Антарктикой (выходящая за контуры материка) и менее значительное аналогичное образо­вание в Арктике. Исследованиями в течение 1969-1986 гг. установлено, что наибольшее уменьшение общего количества озона в зоне 53-64° с. ш. наблюдалось в зимние месяцы (рис. 5.19). Опасность истощения озоно­вого слоя заключается в том, что может снизиться поглощение губитель­ного для живых организмов ультрафиоле-тового излучения.

Многие ученые считают, что одной из причин истощения озоново­го слоя (экрана) является применение людьми хлорфторуглеродов (фреонов), которые широко используются в быту и производстве в виде аэрозолей, дореагентов, пенообразователей, растворителей и т. д. В 1990 году мировое производство озоноразрушающих веществ состав­ляло более 1300 тыс. тонн. Хлорфторуглероды (СFС13 и СF2Сl2), попадая в атмосферу, разлагаются в стратосфере с выделением атомов хлора, которые катализируют превращение озона в кислород (рис. 5.20).

Примечание: Высоко в атмосфере Молекулы ХФУ под действием УФ-излучения разрушаются с выделением свободных атомов хлора (Сl). Эти атомы реагируют с озоном (О3) с образованием оксида хлора (СlO). Оксид хлора затем может реагировать с атомом кислорода, вновь об­разуя атомы хлора, которые могут вступать в реакцию с другими моле­кулами озона и т.д.

В нижних слоях атмосферы фреоны могуn сохраняться в течение десятилетий. Отсюда они поступают в стратосферу, где в настоящее время их содержание ежегодно увеличивается на 5 процентов. В связи с тем, что во второй половине XX в. производство и примене­ние фреонов во всем мире было колоссальным в 1985 году была приня­та Венская конвенция по защите озоновою слоя, а I января 1989 года составлен Международный (Монреальский) протокол о запрещении производства фреонов. Однако в последние годы все чаще учеными высказываются сомнения как «вине» фреонов в разрушении озоново­го слоя, так и в «заслугах» озона в защите от ультрафиолетовых лучей.

Так, В. Бурдаков (1989) в рамках принятых представлений о влиянии хлора на озоновый слой, включая окислы азота, промоделировал влияние ракетного выхлопа и двигателей стратосферной авиации и пришел к выводам, что самое пагубное влияние на озоновый слой оказывают твердотопливные реактивные двигатели, выхлоп которых полностью состоит из окислов хлора и азота. Один запуск американского челнока «Шаттл» приводит к уничтожению 10 млн. тонн озона. Для полного уничтожения всего озонового слоя достаточно 300 таких запусков.

Пагубное влияние (лишь на порядок меньше, чем дают твердотопливные реактивные двигатели) оказывают на озоновый слой выхлопы реактивных двигателей стратосферной авиации, наполняющие озоновый слой тоннами окислов азота.

По В.Л. Сывороткину (2000) разрушителем озона является водо­род. Он приводит модель воздействия глубинных потоков водорода на океан и атмосферу (рис. 5.21).

Эти потоки, поднимающиеся из недр океанического дна, окисля­ются в приповерхностном слое воды, а выделяющаяся при этом энер­гия нагревает его — начинается Эль-Ниньо. Достигнув стратосфе­ры, водород разрушает озоновый слои, а образующаяся в химичес­ких реакциях вода формирует под ним полярные стратосферные облака. ИК- и УФ-излучение Солнца, прорвавшись через озоновую дыру, разогревают поверхность океана (Эль-Ниньо в разгаре). Теп­ловое излучение поглощается парниковыми газами (водяной пар, СО2) и разогревают приземный воздух. Атмосферное давление па­дает, и над зоной дегазации зарождаются циклоны.

Г.Н. Васенин, Ю.П. Супруненко (1999) и целый ряд других авторов связывают уменьшение озона в атмосфере с мощными вспышками на солнце и процессами, происходящими в недрах Земли.

Е.А. Жадин (1999) называет ключевым элементом механизма разрушения озона полярные стратосферные облака, образую­щиеся только при очень низких температурах. Такие температу­ры над Антарктикой обусловлены сильными западными ветра­ми, формирующими своеобразный полярный «барьер», который препятствует межширотному обмену теплом и озоном.

Ответ о существовании долговременных процессов в стратосфере, кото­рые способствуют образованию низкотемпературного «барье­ра» и их связях с наблюдаемыми аномалиями по Е.А. Жадину надо искать в системе «океан-атмосфера». Изменения циркуля­ции атмосферы вызываются стационарными планетарными вол­нами, которые проникают в стратосферу в зимне-весенний пери­од, сильно влияя на распределение озона и других ее составляю­щих средних и высоких широтах. Один из источников этих волн — разные температуры над поверхностями континентов и океа­нов. Отсюда изменения температуры океанской поверхности ска­зываются на волновой активности. При длительном же ослабле­нии волновой активности усиливаются западные ветры в тропосфере и стра­тосфере. Это в свою очередь формирует экран, препятствующий меридиональному переносу тепла в крайние южные широты, что и приводит в итоге к аномальному охлаждению антарктического сектора нижней части атмосферы, формированию полярных стратосферных облаков и созданию условий для разрушения озо­на.

Н.И. Чугунов (2000) считает, что от жесткого ультрафиолетового излу­чения все живое на Земле защищает кислород атмосферы. Кислород, поглощая это ультрафиолетовое излучение, преобразуется в озон, явля­ющимся всего лишь побочным продуктом этого процесса. Когда было обнаружено появление «дыр» в озоновом слое над Антарктикой в сен­тябре-октябре и над Арктикой — ориентировочно в январе-марте возникли сомнения в достоверности сложившихся утверждений о защитных свойствах озона и о разрушении его промышленными выбросами, так как ни в Антарктиде, ни на Северном полюсе никакого производств нет. Сезонность же появления «дыр» в озоновом слое, по мнению НИ. Чугунова (2000), можно объяснить тем, что ось суточного вращения Земли отклонена от перпендикуляра к плоскости эклиптики на 23°26,5′. При годичном движении Земли вокруг Солнца эта ось сохраняет постоянное направление в пространстве. Поэтому летом и осенью над Антарктидой, зимой и весной над Северным полюсом атмосфера Земли закрыта от ультрафиолетового излучения Солнца и не подвергается его воздействию. Полюса Земли в эти периоды находятся в «тени», над ними нет источни­ка энергии, необходимого для образования озона (рис. 5.22).

И.К. Ларин (2001), критикуя гипотезу Н.И. Чугунова, отмечает, что механизм образования весенней антарктической озоновой дыры зак­лючается в том, что в течение холодной антарктической зимы при температуре, пада­ющей до 80°С ниже нуля, хо­лодный воздух начинает опус­каться вниз, и как результат под действием сил Кориолиса на высотах 10-20 км образуется полярный вихрь, изолирующий воздух внутри своего объема от остального пространства, В этом воздухе образуются стратосферные полярные облака, содержащие молекулы воды и азотной кис­лоты (постоянно образуется в небольших количествах из окислов азота природного про­исхождения). На поверхности частиц облаков протекают реакции, которые приводят к образова­нию из слабоактивных достаточно устойчивых соединений хлора и малоустойчивых молекул С12 и НОС1 (рис. 5.24).

Процессы идут в течение всей зимы, и к ее концу в полярном вихре накапливается достаточное количество данных слабосвязанных ком­понентов. С восходом солнца в начале весны (начало сентября) они легко разлагаются, давая атомы хлора, цепным образом разрушаю­щие молекулы озона. Хлор является катализатором, превращающим озон в кислород. В связи с тем, что вихрь еще существует, и обмена с соседними богатыми озоном областями стратосферы нет, содержа­ние озона быстро уменьшается. Внутри вихря, на высоте 10-15 км, озон полностью исчезает. Затем происходит разогрев воздуха, распад вихря и расползание остатков дыры по Южному полушарию.

М. Изаков (1998) приводит сведения о том, что в конце XX в. зафик­сировано несколько случаев, когда над московским регионом озоносфера была сильно истощена. Эти явления наблюдались, напри­мер, 26 января 1989 года, 14 февраля 1996 года. Отмечено, что исто­щенное состояние озонового слоя наблюдалось, когда полярный вихрь, в сфере действия которого находилась стратосфера над Москвой, оказался устойчивым и долгоживущим. В нем сильно падает давление и возникают очень низкие температуры — до -80°С и ниже. Происхо­дящие в вихре атмосферные процессы (образование полярных стра­тосферных облаков, интенсивное освобождение активного хлора и др.), приводят к эффекту истощения озонового слоя.

В январе 1989 года устойчивое уменьшение озона совпало имен­но с сильным понижением температуры в стратосфере над москов­ским и соседними с ним регионами. На высоте около 30 км в начале января температура была -75°С, а в конце месяца доходила до -80°С. В конце января в озоновом слое возникла «мини-дыра» с цен­тром над Скандинавским полуостровом.

Зимой 1996 года истощение озонового слоя наблюдалось в тече­ние трех довольно продолжительных периодов.

Содержание озона над Москвой на высоте 35 км было понижен­ным в течение всего января и в отдельные периоды февраля и мар­та. На высотах 30-45 км в эти периоды содержание озона уменьша­лось до 40-50% по сравнению со средними значениями. Это было связано с влиянием устойчивого полярного вихря и с очень низкой температурой в стратосфере. В начале марта 1996 года понижение озона над Москвой объяснялось тем, что полярный вихрь, воздух которого имел пониженное содержание озона, переместился в сто­рону Москвы. В дальнейшем изменения в динамике стратосферы Северного полушария привели к тому, что содержание озона над Москвой стало возрастать.

Быстрыми темпами растет в атмосфере содержание углекис­лого газа и метана. Эти газы обусловливают «парниковый эф­фект».

Они пропускают солнечный свет, но частично задерживают теп­ловое излучение, испускаемое поверхностью Земли. За последние 100 лет концентрация в атмосфере углекислого газа выросла на 25%, а метана — на 100%. Это сопровождалось глобальным повышени­ем температуры, тогда как на протяжении последних ста с лишним тысяч лет температура воздуха на Земле ни разу не достигала таких высоких значений, как в конце XX - начале XXI столетий (рис. 5.27).

Повышение температуры идет параллельно росту концентрации углекислого газа в воздухе (рис. 5.28).

При сохранении современного расхода ископаемого топлива прогнозируется и дальнейший рост концентрации СО2 в атмосфере:

2000 год — 360-385 млн. т, 2050 под — 400-580 млн. т, 2100 год — 420-900МЛН. тонн. Так, за 80-е годы XX в. средняя температура воздуха в Северном полушарии по сравнению с концом XIX столетия повы­силась на 0,5-0,6°С, а к 2000 году повышение температуры воздуха достигло 1,2 °С. По прогнозам, на Земле средняя температура возду­ха по сравнению доиндустриальной эпохой повысится к 2050 году на 1,5-2,5 °С, к 2100 году—на 6°С.

Потепление может привести к интенсивному таянию ледников и повышению на 0,5-1,5 м уровня Мирового океана, при этом окажутся затопленными многие густонаселенные прибреж­ные районы.

При общем увеличении количества осадков в центральных райо­нах материков климат может стать более засушливым. Например, в 80-90-х годах XX столетия в Африке и Северной Америке участились катастрофические засухи, которые связывают с глобальным потеплением. К 2050 году прогнозируется увеличение площади пу­стынь и сдвиг всех климатических зон от экватора к полюсам при­мерно на 500 км.

Однако существуют и другие точки зрения о глобальном потеп­лении и его катастрофических последствиях. Например, П.М. Хомя­ков (институт системных исследований РАН) и ряд других исследо­вателей считают, что потепление вызвано целым комплексом при­чин. Помимо увеличения концентрации СО2, это — периодические изменения скорости вращения Земли и колебания земной оси, из­менение структуры земельного фонда и другие причины.

Повышение глобальной температуры на 1°С проявится на раз­ных широтах неравномерно. На экваторе она вообще не повысится, Центральном Черноземье потеплеет на 1,5-2 °С, а на севере евро­пейской части

России — на 3,0-3,5 °С. На основании результатов многолетних исследований по программе «Глобальные изменения природной среды и климата» П.М, Хомяков утверждает, что никако­го опустынивания и увеличения засушливости климата в основных сельскохозяйственных районах России не произойдет. Не случится и ни какой инженерно-геологической катастрофы в зонах вечной мер­злоты. Мерзлота будет деградировать медленно и постепенно. При потеплении помимо негативных нельзя не заметить и благоприят­ных последствий для России. Появятся новые зоны, потенциально пригодные для земледелия (на юге России — субтропического), бо­лота трансформируются в высокопродуктивные пастбища, улучшит­ся агроэкологическая обстановка в Нечерноземье. В итоге суммар­ное производство зерновых в России может увеличиться на 25-40%. Значительные плюсы несет глобальное потепление лесному хозяй­ству, энергетике России.

А. Карнаухов (2001) считает, что впереди у нас не потепление, а похолодание. Начало нового ледникового периода надо ждать в бли­жайшие 20 лет. По мнению А. Карнаухова при потеплении начнет интенсивно в первую очередь таять Гренландский ледник. Вслед­ствие этого произойдет распреснение холодного Лабродорского те­чения. Плотность течения снизится, и оно поднимется повыше и, в конце концов, вытеснит теплое течение Гольфстрим, кото­рое является «грелкой» для Европы и Америки.

Гольфстрим начнет приживаться в экваториальных водах, Лаб­радорское же течение будет кружить вокруг Гренландии и вызовет похолодание. В целом здесь ухудшатся климатические условия, су­щественно сократятся посевные площади под сельскохозяйствен­ными культурами, земледелие придет в упадок, во много раз увели­чатся расходы на отопление. Похолодание приведет не только к гло­бальному экологическому, но и экономическому кризису.

На примере загрязнения атмосферы видно, что даже слабые воз­действия человека могут приводить к крупным неблагоприятным последствиям для природных систем. Нужно учитывать и то, что загрязняющие вещества переносятся воздушными потоками на боль­шие расстояния, создавая тем самым опасность загрязнения терри­торий других стран. Так, по оценкам международных организаций, в 90-х годах XX столетия на долю английских выбросов приходилось 14% загрязненности окружающей среды в Швеции, 7% — в ФРГ, 7% — в Норвегии. На Северную Швецию и Норвегию выпадало в 1.5-2,0 раза больше соединений серы, чем выбрасывалось в атмос­феру с их территории.

Выпадение загрязняющих ве­ществ на территории Российской Федерации за счет трансгранич­ного переноса из других стран (Украина, Беларусь, Польша, Ве­ликобритания, Румыния и др.) в 1990 году составили: соединений серы — 1355,0 ктS, соединений окисленного азота—596,0 ктN и соединений восстановленного азота—42,2 ктN.

Современное промышлен­ное производство загрязняет атмосферу не только газооб­разными и твердыми примеся­ми, но и тепловыми выбросами, электромагнитными полями, ультрафиолетовыми, инфра­красными, световыми излуче­ниями и другими физическими факторами. Наиболее распрос­траненным видом физического воздействия на атмосферу в го­родах и крупных поселках явля­ется шум, возникающий при ра­боте транспортных средств, обо­рудования промышленных и бытовых предприятий, вентиля­ционных и газотурбинных установок, реактивных самолетов при взлете и посадке. Как уже было отмечено ранее, величину звуковых давлений измеряют и нор­мируют в децибелах (дБ). Уровень шума в 20-30 децибелов практически безвреден для чело­века, является естественным шумовым фоном. У людей же, живущих и работающих в неблагоприятных акустических условиях (80 и бо­лее децибелов), имеются признаки изменения функционального состояния центральной нервной и сердечно-сосудистой систем. В конце XX — начале XXI вв. в крупных городах России уровни шума на главных магистралях достигают уровня 95 дБ (А), что при­водит к превышению санитарных норм (55 дБ (А)) в близлежащих ;илых помещениях в 1,7 раза и более. Территории с превышением допустимых уровней шума расширяются. В Москве, например, тер­ритории со сверхнормативными уровнями шума достигли 30% от общей площади городской застройки. Помимо Москвы сложная акустическая ситуация наблюдается в таких городах, как Новосибирск, Нижний Новгород, Магнитогорск, Иркутск, Барнаул, Сочи, Екатеринбург, Минеральные воды и др. В таких крупных городах, как Нижний Новгород, Красноярск, Магнитогорск и Екатеринбург на автомагистралях городского зна­чения уровень шума достигает 90-95 дБ (А). В жилых домах, распо-ложенных на прилегающих территориях уровни шума превышают гигиенические допустимые нормы в 2-2,3 раза.



Многие воздушные трассы самолетов из более 300 категорийных аэропортов проходят над населенными пунктами, в результате чего уровни шума на территории жилой застройки достигают 98-105 дБ (А), что превышает нормативные требования (60-70 дБ (А)) в 1,5-1,8 раза. Население, как правило, крупных городов, подвергается также действию вибрации — малых механических колебаний низкой час­тоты, возникающих в телах под воздействие переменного физичес­кого поля. Вибрация возникает при движении рельсового транспор­та, тяжелых грузовых автомобилей и при работе промышленных предприятий. Особенно возросли вибрации жилых зданий в связи со строительством метрополитенов (Москва, Санкт-Петербург, Но­восибирск) неглубокого залегания. При движении рельсового транс­порта допустимые уровни вибрации для ночного времени (25-43 дБ (А)), в зависимости от частоты вибрации, в жилых зданиях, располо­женных на расстоянии 50 метров от трассы движения, превышают­ся по виброускорению в 2,1-2,4 раза. В настоящее время уровень электромагнитных излучений (ЭМИ) или электромагнитных полей (ЭМП), созданных человеком и «заг­рязняющих» атмосферу, в сотни раз превышает средний уровень естественных диапазонов.Электромагнитные излучения оказывают влияние на нервную и эндокринные системы, на репродуктивную функцию, на сердечно­сосудистую систему и обмен веществ человека. Наиболее высока чувствительность организма к многократным воздействиям. Источниками электромагнитных излучений (ЭМИ, ЭМП) явля­ются теле- и радиопередающие устройства, электрифицированные транспортные линии и линии электропередач. В России в конце XX—начале XXI вв. на значительных территориях, особенно вблизи радио- и телецентров, радиолокационных установок, прохождения воздушных линий электропередач высокого и сверхвысо­кого напряжения, напряженность электрического и магнитных полей возросла от 2 до 5 порядков, создавая тем самым реальную опасность для людей, животных и растительного мира. Высоковольтными линиями электропередач (ЛЭП) с напряженностью 750 кВ под проводами ЛЭП на высоте 1,8 м от поверхности земли создается магнитное поле величиной напряженности 24-100 А/м. На месте провисания проводов эти величины увеличиваются в 3-5 раз, а электрическое поле - от 10 до 100кВ/м. Широко распространенным источниками ЭМИ в населенных местах являются радиотелевизионные передающие центры, излуча­ющие в окружающую среду ультракороткие волны особо высоко­частотных и ультравысокочастотных диапазонов. Наибольшие уров­ни облучения людей и воздействие на окружающую среду наблюда­ется в районе размещения радио- и телепередающих центров старой постройки с высотой опоры не более 180 метров.На территории аэропортов и прилегающих к ним районах широ­кое использование современных систем навигационного радиотех­нического оборудования для управления воздушным движением при­вело к превышению в большинстве случаев допустимых санитарных норм уровней электромагнитных излучении сверхвысоких частот. Так, возрастание мощности радиолокаторов различного назначения и ис­пользование остронаправленных антенн кругового обзора в значи­тельной мере увеличило интенсивность ЭМИ СВЧ-диапазонов и со­здало на местности зоны большой протяженности с высокой плотно­стью потока энергии. Наиболее неблагоприятные условия отмечаются в жилых районах городов, в черте которых размещаются аэропорты (Иркутск, Сочи, Сыктывкар, Ростов-на-Дону и др.).В ряде регионов Ставропольского и Краснодарского краев, Ар­хангельской области регистрируются значительные уровни ЭМИ от военных радиотехнических объектов. Плотность потока мощности электромагнитных полей радиорелейных линий связи военных объектов превышает 10 мВт/см, а гражданских аэропортов достига­ет 1 мВт/см. Напряженность электрического поля теле- и радиостан­ций доходит до сотен В/м, а линий электропередач до 30 кВ/м (при норме напряженности электрического поля 0,5 кВ/м внутри жилых помещений и 1,0 кВ/м на территории зоны жилой застройки). Все эти величины в 10 и более раз превышают допустимые нор­мы и уровни. Так, в поселке Коноша Архангельской области, распо­ложенном в 600 м от комплекса противовоздушной обороны, плот­ность потока энергии в жилых квартирах в 90-х годах XX в. превыша­ла предельно допустимый уровень в 17,5 раз.


Поделитесь с Вашими друзьями:
1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   22


База данных защищена авторским правом ©ekollog.ru 2017
обратиться к администрации

войти | регистрация
    Главная страница


загрузить материал