Лекции по "Общей экологии"

Структура и границы биосферы

Структура биосферы.

Биосфера включает в себя:

•  аэробиосферу – нижнюю часть атмосферы;

•  гидробиосферу –  всю гидросферу;

•  литобиосферу – верхние  горизонты литосферы (твердой земной оболочки).

Границы биосферы. Границы нео- и палеобиосферы различны.

Атмосфера

Атмосфера (от греч. athmos – пар, sphaira – шар) – газовая оболочка планеты. На Земле сформировалась в результате геологической эволюции и непрерывной деятельности организмов. Состав современной атмосферы – результат динамического равновесия, поддерживаемого процессами жизнедеятельности организмов и различными геохимическими явлениями глобального масштаба.

Общая масса  атмосферы Земли равна 5,3*10¹⁵ т (по разным оценкам 5,15 – 5,9*10¹⁵), причем 90% сосредоточено в околоземном слое толщиной около 16 км.

Газовый состав (по объему): азот – 78, 084%, кислород – 20, 95%, аргон  – 0, 93%, диоксид углерода – 0,036%, неон, гелий , метан, криптон, гемиоксид азота (N₂O).

Озоновый  слой, образование озоновых дыр

К числу наиболее важных характеристик атмосферы  Земли, имеющих существенное эколого-биологическое  значение, относится наличие в  ней озонового слоя, резко (примерно в 6500 раз) ослабляющего часть (с длиной волны l < 320 нм) ультрафиолетового спектра (10 < l < 400 нм) электромагнитного излучения Солнца, крайне опасную для всего живого на Земле.

Различают ближнее ультрафиолетовое излучение (УФИ) с 200 < l < 400 нм и дальнее, или вакуумное, – с 10 < l < < 200 нм. По биологическому эффекту в диапазоне ближнего УФИ выделяют три области:

УФИ-А с 320 нм < l < 400 нм; УФИ-В с 290 нм < l < 320 нм; УФИ-С с 200 нм < l < 290 нм.

В спектре солнечного света, достигающего поверхности Земли, наряду с видимым светом и инфракрасным излучением присутствует только УФИ-А и сильно ослабленное УФИ-В. Излучение в диапазоне УФИ-В задерживается озоном, в диапазоне УФИ-С – кислородом, а в диапазоне дальнего УФИ – и иными газами. Происходит это следующим образом.

Одним из важнейших процессов, протекающих в верхних слоях атмосферы, является диссоциация О₂ с образованием атомарного кислорода:

О₂ + hn ® О + О

Такая реакция  требует много энергии, ибо энергия  связи кислород—кислород в молекуле составляет 498 кДж/моль. Получение необходимого количества энергии возможно либо за счет ультрафиолетового излучения, либо в дуге электрического разряда. Вследствие этой реакции в атмосфере, начиная с высоты 100 км, кислород находится как в молекулярной, так и в атомарной формах.

На высоте около 130 км содержание О₂ и О одинаково, а на высотах более 200 км присутствует практически только атомарный кислород.

На высотах 30 –50 км взаимодействие атомарного кислорода с молекулярным приводит к образованию озона:

О₂ + О + М¹ ® О₃ + М

М¹ — «третье» тело (еще одна молекула О₂, N₂, аэрозоли и др.), стабилизирующее синтезирующийся 0₃, снимая с него избыточную энергию.

Максимум содержания озона  на высотах около 25 км.

Общее количество озона в  атмосфере оценивается всего  в 3,3*10⁹т. Если бы удалось собрать весь озон атмосферы около поверхности Земли при нормальном давлении (760 мм рт. ст.) и температуре (+20°С), то получился бы слой (сферическая оболочка) толщиной всего 2,5–3 мм. Такова распространенная теоретическая модель, вызывающая, к сожалению, неверное представление о строении «защитного экрана» биосферы.

Реально в атмосфере никакого «отдельного» слоя озона нет. Это  лишь название достаточно широкой области, где концентрация озона максимальна.

 

Пыле- и газообразные загрязнения в  атмосфере

Атмосферный воздух нашей планеты также содержит разнообразные загрязнения как естественные (природные), так и искусственные (антропогенные).

К природным источникам относят  вулканы, пыльные бури, космическую  пыль. Источники антропогенного загрязнения  атмосферы – различные предприятия  промышленности, транспорта, энергетики, коммунального хозяйства и т. п. Загрязняющие атмосферу вещества попадают в воздух в результате сжигания топлива непосредственно из бензо- и газохранилищ, при авариях и т. д. Атмосферные загрязнители делят на первичные, поступающие непосредственно в атмосферу, и вторичные, являющиеся результатом превращений последних. Так, поступающий в атмосферу оксид серы (IV) окисляется до оксида серы (VI), который активно взаимодействует с водой, образуя капельки серной кислоты (Н₂SО₄). Аналогичным образом в результате химических, фотохимических и физико-химических реакций между первичными загрязнителями и компонентами атмосферы образуются вторичные загрязнители.

 

 

Гидросфера

Гидросфера (от греч. hydor – вода, sphaira – шар) – жидкая оболочка планеты.

Понятие «гидросфера» включает все свободные воды Земли, которые не связаны химически и физически с минералами земной коры, т. е. могут двигаться под действием гравитационной силы либо теплоты. Гидросфера состоит из всех океанов, морей, рек, озер, водохранилищ, болот, подземных вод, ледников, снежного покрова, включает атмосферную и почвенную влагу, а также биологическую воду (например, в организме человека содержится около 70% воды).

Вода обладает рядом уникальных особенностей, отличающих ее от большинства  других жидкостей, что накладывает отпечаток на строение и жизнедеятельность организмов.

Морская вода, содержащая 3,5% солей, не имеет температурного максимума  плотности, что является одним из ее важных отличий от пресной воды. Чем морская вода холоднее, тем  тяжелее, вплоть до температуры -2°С, когда в ней появляются кристаллы льда.

Круговорот  воды

Гидросфера  отличается динамичностью, движущей силой  которой служит круговорот воды. Круговорот воды между сушей и океаном  через атмосферу оказывается  весьма сложной системой, включающей частные круговороты и разветвленный каскад фильтров, в том числе биосферный, пройдя через который полностью или частично вода в конце концов снова оказывается в основном поверхностном хранилище воды – Мировом океане.

Основная масса испарившейся воды, равная 4,5*10⁵ млрд т/г, выпадает на поверхность Мирового океана, так и не попав на континенты. Эта часть круговорота называют малой или океанической.

Вынесенная на сушу часть  испарившейся океанической влаги включается в круговорот воды на суше, где влага испаряется с поверхности всех водоемов – рек, озер, болот и т. д. Воду испаряют и растения, откачивая ее корнями из грунта. Порой с поверхности суши, покрытой растительностью, воды может испаряться больше, чем с водной поверхности. Так, эвкалипт при благоприятных условиях испаряет воды до 150 л/сут, а береза в умеренной полосе – только 20 л за тот же период. За миллиарды лет транспортная система гидросферы вынесла с суши в океан на каждый килограмм воды почти 0,6 кг разрушенных горных пород.

Водные  ресурсы – это пригодные для употребления пресные воды. Они заключены в реках, озерах, подземных горизонтах, ледниках. Пары воды в атмосфере, морские воды так же, как и абсолютное большинство полярных льдов и воды наиболее глубоких подземных горизонтов, в настоящее время не применяются и рассматриваются в качестве потенциальных водных ресурсов.

Доступные водные ресурсы  рек слагаются из двух составляющих – поверхностного и подземного стока.

• Подземная составляющая стока – наиболее ценная в хозяйственном отношении, так как она в меньшей степени подвержена сезонным и суточным колебаниям объема. Кроме того, подземные воды реже загрязняются. Именно они формируют преобладающую часть «устойчивого» стока, при освоении которого не требуется сооружения специальных регулирующих устройств.

• Поверхностная составляющая стока включает в себя паводковые и талые воды, обычно быстро проходящие по руслам рек. Общий объем доступных водных ресурсов мира оценивается в 41 тыс. км³/г, из которых только 14 тыс. км³/г составляют устойчивую часть.

 

 

 

 

Лекция 4

ЧЕЛОВЕК В БИОСФЕРЕ

Человек как биологический вид

Человек является биосоциальным существом и в  то же самое время – представителем биологического вида «Человек, разумный» (Homo sapiens), принадлежащего к царству животных, типу хордовых, классу млекопитающих, подклассу плацентарных, отряду приматов, семейству гоминид.

Несмотря на свои уникальные свойства (разум, членораздельная речь, трудовая деятельность, социальное поведение  и др.), человек не лишился биологической  сущности, и все законы экологии для него справедливы полностью, как и для любого другого живого организма.

Выход человека из-под контроля среды начался примерно 10 тыс. лет  назад, когда впервые появились  признаки сельского хозяйства. Именно тогда люди перестали зависеть от ресурсной кормовой базы и начался постепенный рост их численности, больший, чем предусмотрено законами биосферы. В XIX—XX вв. проявились признаки нового мирового демографического перехода – демографического взрыва. В 1960 – 1965 гг. человечество насчитывало 3,5 млрд человек, а к концу века эта цифра почти удвоилась, достигнув 6 млрд. По прогнозам в 2007 г. нашей эры население планеты будет насчитывать 7 млрд человек.

Качество  жизни и здоровье

Индикаторами  качества жизни и состояния здоровья популяции человека в разных странах мира являются следующие показатели: средняя ожидаемая продолжительность жизни и стандартизованная смертность (суммарная смертность от любых причин, включая младенческую и материнскую).

В целом качество жизни  в стране определяется количеством и распределением валового национального продукта, т. е. отношением валового национального продукта к численности населения. Так, 25% населения планеты, живущего в развитых странах, потребляет 80% мирового валового продукта. При этом суммарный средний коэффициент рождаемости (среднее число детей, которое рождает гипотетическая женщина за детородный период) в развитых странах составляет 1,9, тогда как в развивающихся – 4,0 (без Китая). В развитых странах общий коэффициент прироста населения (за вычетом смертности) составляет 0,6%/г, а в развивающихся странах достигает 2,1%/г. Используя эти данные в качестве исходных, можно получить, что время удвоения численности населения развитых стран составляет 117 лет, а развивающихся – всего 33,5 лет.

АНТРОПОГЕННОЕ ЗАГРЯЗНЕНИЕ БИОСФЕРЫ

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

Загрязняющим  агентом может быть любой экологический  фактор, например любое вещество, находящееся в составе воздуха, воды, почвы. Загрязнение среды – сложный, многообразный процесс. При изучении или описании современных процессов в экосистемах и в биосфере в целом принято выделять загрязнение: химическое, физическое, биологическое,

По масштабам воздействия  различают загрязнение биосферы: локальное, региональное, глобальное.

Загрязнение окружающей среды химическими факторами

Воздействие на атмосферу

Воздух как  природный ресурс представляет собой  общечеловеческое достояние. Постоянство  его состава (чистота) – важнейшее  условие существования человечества. Поэтому любые изменения состава  рассматриваются как загрязнение  атмосферы.

Основными ингредиентами загрязнения атмосферы являются оксиды углерода, азота и серы, углеводороды и взвешенные частицы (пыль).

В результате антропогенного воздействия на атмосферу возникают:

• локальная или региональная загазованность приземного слоя;

• трансграничный перенос загрязнений на значительные расстояния;

• различные глобальные (общепланетарные) эффекты, такие, как  «парниковый эффект» и разрушение озонового слоя;

• загрязнение лито- и  гидросферы как результат процессов  естественного самоочищения атмосферы.

 

 

Воздействие на гидросферу

Вода, как и  воздух, является количественно неисчерпаемым  природным ресурсом, но человеку и  всему живому в биосфере нужна  не просто вода как вещество с формулой Н₂О, а вода определенного качества, т. е. имеющая определенные прозрачность, температуру, сопутствующие примеси и т. п.

Гидросфера – это естественный фильтр-аккумулятор загрязняющих веществ, поступающих в окружающую природную  среду, что связано с циклом глобального  круговорота воды и с ее универсальной  способностью к растворению газов и минеральных веществ.

Статистика показывает, что 80% всех заболеваний в мире вызвано  неудовлетворительным качеством питьевой воды:

Разнообразие  сточных вод принято подразделять на следующие виды:

• технологические, возникающие в технологических процессах предварительной мойки, промежуточной или финишной промывки, а также при использовании воды в качестве технологического растворителя либо носителя;

• хозяйственно-бытовые (или коммунальные), образующиеся в жилищно-бытовом секторе, а также в сфере общественного питания и санитарно-гигиенического обслуживания на предприятиях;

• поверхностные, формирующиеся за счет дождевых и талых снеговых вод, а также воды при мокрой уборке территорий с искусственными покрытиями (асфальтированными, бетонными и т. п.).

Основные химические загрязнители, поступающие в водоемы суши с промышленных предприятий, принято делить на три группы:

• неразлагающиеся или  очень медленно разлагающиеся в  природной среде вещества, в том  числе ионы металлов, минеральные  соли, углеводороды нефти и т. п.;