Лекция 11 - Балаковский Институт Техники, Технологии и
реклама
Лекция 2 Основные проблемы современной экологии Экосистемы планеты и проблемы жизнеобеспечения-45 мин Экологические проблемы энергоснабжения-45 мин Экосистемы планеты и проблемы жизнеобеспечения Экосистемы - основная производящая сила природы, "работающая" за счет постоянного взаимодействия живых организмов друг с другом и с окружающей средой. В современном мире каждая из существующих экосистем воплощает выработанное в течение тысячелетий решение определенной задачи жизнеобеспечения: бесчисленные виды организмов боролись за свет, воду, питание и пространство. Теоретически возможно воспроизвести естественные жизнеобеспечения, но практически это неосуществимо. системы Экосистемы, даже в преобразованном виде, представляют собой «фабрики солнечной энергии», которые производят питание, материалы, воду, почвенный слой, обеспечивают очистку воздуха и воды, контролируют климат, поддерживают круговорот веществ. Ни одну из этих функций невозможно произвести искусственным путем. По данным ООН выделяют пять групп экосистем: агроэкосистемы; прибрежные; лесные; пресноводные; степные (травянистые). Каждая группа экосистем обеспечивает удовлетворение определенных потребностей общества: агроэкосистемы — в пищевых продуктах и некотрых видах сырья, пресноводные экосистемы — в пресной воде (питьевого и технического назначения), биологической продукции (рыба и др.), гидроэнергетических ресурсах и т.п. (табл. 1). Табл. 1 Сравнение основных групп экосистем суши по занимаемой площади и значению для человека Группы экосистем Площадь Хозяйственное значение Агроэкосистемы 28% свободной от льда суши 99% энергии, потребляемой человечеством с пищей Прибрежные экосистемы 22% суши, в 100 км зоне вдоль побережья Территория, на которой проживает 39% населения планеты Лесные экосистемы 22% свободной от льда суши 2% мирового валового продукта (только для промышленности) Пресноводные экосистемы 1% поверхности суши Водные ресурсы питьевого, бытового, сельскохозяйственного и промышленного назначения, рыба и моллюски Травянистые 41% свободной от льда экосистемы (в том числе суши лесостепь) Источник питания для домашних и диких животных 1 Пресноводные экосистемы также растворяют и переносят отходы; лесные производят кислород, обеспечивают инфильтрацию и очистку воды, вместе с травянистыми и агроэкосистемами формируют почву. Каждая группа обладает также огромным ресурсом воспроизводства которые необходимо научиться использовать для дальнейшего устойчивого развития. Способность природных лесных экосистем поддерживать газовый баланс атмосферы за счет регенерации кислорода и связывания углерода почти исчерпана. Ежегодно в атмосферу выпускается 7,9 Гт углерода; 30% поглощает океан, 30% - лесные экосистемы, но 40% остается в атмосфере, и в 1998 г. по сравнению с XIX в. в атмосфере стало на 30% больше углерода. Для решения проблемы необходимо активное восстановление лесов, тем более, что молодые, быстро растущие деревья поглощают на 30% больше углерода, чем зрелый лес. Но полагаться на природные лесные экосистемы дальше нельзя. Основные потребления. причины деградации экосистем — рост населения и При этом рост населения вызывает конверсию (от лат. conversio превращение, изменение) сельскохозяйственных земель в селитебные и промышленные, а рост потребления (обусловленный ростом населения) требует новых сельскохозяйственных земель. Относительно мало изучено внедрение в экосистемы посторонних видов, которые иногда вытесняют виды существующие. С развитием транспортного сообщения между удаленными регионами мира чуждые организмы переселяются и внедряются самостоятельно. Часто чужеродные морские организмы заносятся с балансными водами танкеров. И все же решающую роль в конверсии природных экосистем играет рост потребления всех основных ресурсов. Агроэкосистемы — это пашни и пастбища. В Европе, Западной Сибири, Китае, Индии агроэкосистемы занимают до 60% территорий, а в Северной и Южной Америке и Африке — 30-40% территорий. В агроэкосистемах Европы, Китая и Северной Америки на 1 га территории приходится до 100 кг удобрений, что приводит к ущербу окружающей среде. Почвы интенсивно деградируют за счет эрозии, смывания и химического загрязнения. Для совершенствования и восстановления агроэкосистем применяют ряд средств ландшафтно-планировочного характера, например создание террас, снабженных водоводами и защищенных рядами деревьев. 2 Водоснабжение происходит за счет накопления поверхностного стока дождей и снегов, террасирование предохраняет от полной эрозии, а посадка деревьев — от ветровой. Прибрежные экосистемы играют особую роль, т.к. в их пределах проживает 2,2 млрд чел.: 33% населения планеты — в 100-километровой зоне, 29% - в 50-километровой. При такой плотности населения побережья Европы, Китая, Индии, восточной Америки и островов полностью преобразованы, хотя в Австралии и Африке, а также в арктических районах сохраняется до 70% естественной растительности и соблюдается наименьший уровень загрязнения вод. Прибрежные экосистемы больше всего изменяются под влиянием общего потепления (затопление прибрежных территорий), в них же с током рек поступают загрязнения со всего водосборного бассейна. Здесь необходимы системы очистных сооружений и новые технологии переработки и использования отходов. Серьезные проблемы породили программы осушения заболоченных прибрежных районов, таких как Южная Флорида (США), где начиная с 1907 г. строили систему осушительных каналов и осваивали земли под сельское хозяйство, а также перебрасывали воду в новые водохранилища. Уже с 1970 г. стали возникать периодические засухи, агроэкосистема себя не оправдала, к тому началось зарастание Флоридского залива. С 1983 г. в южной Флориде осуществляется программа восстановления болот Лесные экосистемы распределены на планете неравномерно: в Северном полушарии это Сибирь, Скандинавия и Канада; в Южном — Америка, частично Африка и острова. Заметное сокращение площади лесов в глобальном масштабе происходило уже в XVI в.; в XVII в. принимались законы, запрещающие вырубку леса, но развитие цивилизации буквально во всех областях опиралось на потребление древесины, прежде всего в качестве топлива. В XIX в. появились законы о возобновлении лесопосадок на вырубленных участках, но истребление лесов продолжалось и на протяжении всего XX в. На сегодняшний день в развитых странах происходит лесовосстановление, с 1980 по 1995 гг. в них прирост площади лесных экосистем составил в среднем около 3%, в Европе — до 4%. Но в ряде развивающихся стран сокращение площади, занимаемой экосистемами, продолжается. На биологических качествах лесных экосистем отрицательно сказывается фрагментация лесного массива; формирование мозаичной структуры, в которой лесные экосистемы перемежаются с агроэкосистемами; лесные пожары. Необратимо изменяется возрастной состав леса: уже не приходится рассчитывать на появление старых деревьев, развивавшихся в естественных условиях на протяжении веков: экологическая ситуация на планете стала иной. 3 Пресноводные экосистемы — реки и болота — люди преобразовывали веками, но особенно интенсивной эта деятельность стала в XX в. Во второй его половине количество плотин выросло в 7 раз; только крупных плотин, образующих каскады по всей длине реки, в мире насчитывается 41 000. Плотины дробят реку, замедляют скорость течения, увеличивают интенсивность накопления донных отложений и снижают концентрацию кислорода в воде. Уменьшается и биологическое разнообразий, многие виды рыб исчезают из-за смены среды обитания. Но плотины продолжают строить, прежде всего в целях получения энергии. Преобразованы около 60% крупных речных систем мира, разработаны программы освоения многих других. Но реализация этих проектов приведет к утрате значительных территорий, занимаемых агроэкосистемами. В мире утрачена половина заболоченных территорий, питавших многие реки. К истощению водных ресурсов приводит также рост загрязнений, в том числе через стоки сельскохозяйственных территорий. В ряде стран ведутся работы по восстановлению рек с помощью их расчистки и озеленения водоохранных зон. Развивается также аквакультура, в том числе рыборазведение, которое удвоилось с 1990 г. В пресноводных экосистемах, как и лесных, сокращается видовое разнообразие. Травянистые экосистемы — саванна, тундра, степь и лесостепь — преобразуются наиболее легко, главным образом в пашни (табл. 2). Табл. 2 Регион Доля площади всех травянистых экосистем, % пашни Урбанизирова Все Пастбища нные преобразованные (непреобразованные территории травянистые травянистые экосистемы экосистемы) Северная Америка 71,2 18,7 89,9 9,1 Бразилия, Парагвай, Боливия 71 5 76 21 Россия, Даурия, Монголия 19,3 1,5 20,8 71,7 Африка 19,1 0,4 19,5 73,3 Юго-западная Австралия 37,2 1,8 39 56,7 Главная проблема для травянистых экосистем — перегрузка животноводством, т.е. истощение пастбищ при увеличении нагрузки, ведущее к видовому однообразию растительности, чуждому природным экосистемам. 4 В связи с тем, что пожары повышают плодородие почв, в Африке до сих пор ежегодно специально выжигают 25-50% территории в сухой и до 60-80% во влажной. Без этой вековой традиции многие территории вновь покрылись бы лесом, превративших в лесостепь. Экосистемы полярных регионов следует рассматривать особо — они различны в Арктике и Антарктиде. Для жизнеобеспечения особенно важны ледяные покровы, которые как экраны отражают солнце. Однако они находятся под угрозой — за последние десятилетия XX в. вследствие глобального потепления толщина арктического льда сократилась с 3,1 до 1,8 м. По данным спутников, площадь ледяного покрова за 10 лет сокращается на 3%. Растет и количество загрязнений, в том числе радиоактивных, переносимых водой. Фауна полярных экосистем довольна обширна, важная их составляющая — популяции перелетных птиц. Урбанизированные экосистемы занимают до 4% суши. Ключевой фактор для оценки жизнеобеспечения таких систем — озелененность, прежде всего покрытость деревьями. Однако практически везде степень озелененности снижается, за 20-25 лет — на 10-15%. Главное - «экологический след» урбанизированной системы, ее влияние на окружающую среду. По усредненным расчетам, европейский город с население 1 млн чел. Требует ежедневно 11 500 т топлива, 320 000 т воды, 2000 т продуктов питания; он же производит 300 000 т жидких отходов, 25 000 т СО2 и 1600 т твердых отходов. Для существования города требуется «зона поддержки» с площадью, в 500-1000 раз превышающей площадь самого города, и не обязательно расположенная в его непосредственном окружении. В пределах урбанизированных большое количество людей. экосистем сконцентрировано самое Развитие мегаполисов — Лондона, Нью-Йорка, Токио — было изначально связано с доступом ко всем мировым ресурсам. Сегодня перед ними стоит проблем — как примирить их исключительный статус торгово-финансовых центров с требованиями экологии и устойчивого развития. «Экологический след» города, по определению У.Риза, - площадь земель, снабжающих город продуктами питания, древесины, топливом и поглощающих выброс СО2 посредством растительности. Согласно этому определению, «след» Лондона в 125 раз превышает его площадь в 160 000 га, т.е. достигает 20 млн га. В Лондоне проживает 12% населения страны, но городу требуется вся ее плодородная земля. Вместе с тем именно в городах и их окружении производится большая часть разнообразной продукции всех видов. 5 Экологи подразделяют производимую человеком продукцию по ее долговечности на три категории: продукты долгосрочного пользования (здания, дороги, мосты, линии электропередач, коммуникации, а также автомашины и т.п.); продукты, используемые от 1 до 10 лет (одежда, обувь, мебель, оборудование на производстве); «короткоживущие» продукты, сроком до 1 года. Все то, что мы сегодня называем «продуктами», экологи считают отходами завтрашнего дня. В урбанизированной среде постоянно идет процесс реконструкции — фактически здесь уже издавна установили процесс вторичного использования ресурсов, хотя и привлекаются ресурсы дополнительные. Все остальные продукты подлежат уничтожению или переработке, для которой еще не разработаны достаточно эффективные технологии. В последние десятилетия особенно остро встала проблема загрязнения среды именно «короткоживущими» продуктами, которые разнообразны и накапливаются с огромной скоростью. Среди них доминируют пластмассовые изделия, например такие как неразлагающиеся пластиковые пакеты. Счет им дошел до миллиардов, которые оседали на городских свалках или сжигались с выделением в атмосферу ряда загрязнений. Истощение природных ресурсов — глобальный ограниченный только результатами урбанизации. процесс, не Самые тяжелые последствия современных методов интенсивного ведения сельского хозяйства — это разрушение почвенного слоя и последующее опустынивание. Задача восстановления плодородия почв — главная в современном сельском хозяйстве. От решения этой задачи зависит судьба человечества. Очевидно, что необходимо использовать при этом природные процессы, соответствующие данной местности. Один из путей — уменьшение размеров полей, использование малогабаритной техники, внедрение поликультур, т.е. выращивание нескольких видов растений на одном поле. Экологи рекомендуют возрождать лесополосы, зеленые изгороди — все эти традиционные методы могут способствовать восстановлению плодородных почв. Возрастающими темпами идет освоение подземных ископаемых, в особенности энергоносителей. Несовершенство технологий ведет к попутным потерям, т.е. к загрязнению среды. Но добыча ископаемых природных ресурсов может иметь и иные последствия. Так, многие сейсмологи считают, что причиной участившихся с 1960 г. извержений вулканов могут быть антропогенные воздействия на земную кору. 6 Практически еще не учтено воздействие современной авиации на атмосферный слой земной оболочки; не учтено воздействие космических программ. Экологи связывают с ними участившиеся разрушительные ураганы. Как можно видеть, человечество не только неуклонно истощает все виды природных ресурсов, но и не научилось еще учитывать последствия процессов, возникающих при преобразовании среды. Можно только еще раз напомнить, что новые экосистемы придут к равновесию, но вряд ли смогут содействовать жизнеобеспечению человеческого общества. Экологические проблемы энергосбережения Источники получения энергии известны: газ, уголь, нефть, сланцы, торф, дрова. В настоящее время 2/3 мировой энергетики опирается на нефть и газ, а в Африке 300 дней в году происходит интенсивный сбор хвороста для приготовления пищи в примитивных очагах. Виды энергопроизводителей различаются экологическими характеристиками, в частности потребностями в территории и способностью вызывать образование неудобных территорий. Значительное количество неудобных территорий создается в процессе добычи, переработки и транспортировки газа и нефти. В настоящее время это основные энергоносители, обеспечение которыми носит глобальный характер. Все виды получения энергии прямо ведут к образованию неудобных территорий. Но с ростом городов ландшафты, нарушенные промышленной деятельностью, оказываются в их пределах и проблема освоения таких территорий становится остро актуальной в условиях дефицита площадей для застройки. Теплоэлектростанции, работающие на угле и проточной воде, имеют КПД 40-44%. Их эксплуатация приводит к тепловому загрязнению (за счет сброса нагретой воды в природные водоемы); выделению СО2, способствующему парниковому эффекту; кислотных осадкам, образованием азотной кислоты при взаимодействии содержащегося в выбросах NO2 с атмосферной влагой. Количество радиоактивных отходов в летучей золе такой электростанции сравнимо с их количеством в выбросах АЭС малой мощности. С позиций образования неудобных территорий надо учитывать не только участок, занимаемый самой станцией, но и земли, на которых ведется добыча топлива, отвалы породы и эолоотвалы, территории, используемые для транспортировки и хранения топливных ресурсов. 7 Главным недостатком теплоэлектростанций является то, что они опираются на энергоносители, ресурс которых практически уже исчерпан. Строительство гидроэлектростанций при всех экологических утратах впервые продемонстрировало получение энергии на основе возобновляемых ресурсов. Концепция использования возобновляемых источников энергии стала внедряться в практику во второй половине XX в. Вместе с тем росли поиски энергоносителей, способных обеспечивать растущее энергопотребление. Прежде всего стало развиваться использование атомной энергии в мирных целях. КПД атомных станций пока еще не выше 30-33%. Основная проблема атомной энергетики — радиоактивные отходы, захоронение которых не только требует изъятия земель, но и создает трудно предсказуемые риски для окружающих территорий на очень продолжительное время (сотни и тысячи лет). Разрабатываются технологии, позволяющие минимизировать количество радиоактивных отходов, но пока эта проблема не решена. Наиболее экологически целесообразными все считают гидроэлектростанции, т.к. они работают на возобновляемом источнике — воде. В России они обеспечивают до 20% энергопотребления, в США — 12%. Но и они имеют свои экологические проблемы: необходимость затопления большого количества земель; образование неудобных территорий в виде болот и участков периодического затопления в ходе работы станции; сокращение запасов рыбы; изменение климата; возможность наведенных землетрясений или наводнений в результате прорыва плотин. Тем не менее можно утверждать, что главным возобновляемым источником энергосбережения в XX в. стала вода. Нельзя не отметить также и то, что гидроэнергетика практически лишена вредных выбросов. Считая гидроэлектростанции морально устаревшим источником энергии, противники рассматривают как альтернативу энергию солнца и ветра. Но пока не известны возможные экологические последствия, которые могут со временем возникнуть при массовом и широкомасштабном внедрении устройств, использующих солнечную и ветровую энергию. Можно только представить, что последуют серьезные изменения в землепользовании. Интенсивно разрабатываются ветровые электростанции; считают, что использование энергии ветра незаслуженно забыто. многие 8 Идея ветровых электростанций безусловно интереснейшая и сократит потребление невозобновляемых источников энергии. Но еще не существует прогнозов влияния массового внедрения таких установок на окружающую среду. Однако ветровые установки требуют огромных площадей: высота башни достигает 90 м, а расстояние между башнями должно быть значительно больше их высоты. Поэтому системы ветровых установок стараются размещать в безлюдной местности, что в свою очередь удорожает стоимость передачи энергии. Еще одним недостатком таких станций является сильная изменчивость в зависимости от погодных условий, ярко выраженная географическая неравномерность распределения ветровой энергии. Еще одной важной проблемой использования ветровых генераторов являются сильные вибрации их несущих частей, которые передаются в грунт. Значительная часть звуковой энергии приходится на инфразвуковой диапазон, для которого характерно отрицательное воздействие на организм человека и многих животных. Солнечные электростанции считаются самыми перспективными, так как энергия солнца неисчерпаема, хотя зависимость ее поступления от состояния земной атмосферы не исследована. Наибольшее количество солнечных батарей установлено в США и Италии. Промышленные установки батарей занимают значительные площади, которые изымаются их других видов землепользования. Развитие солнечной энергетики идет с ускорением. В настоящее время около 80% мощностей солнечных энергоустановок расположено в Европе: Германии, Италии, Чехии. В Германии они вытесняют АЭС, которые страна предполагает исключить их энергоснабжения. В основном развиваются автономные энергоустановки, например, в Японии за 2010 г. были установлены 200 000 солнечных генераторов на частных домах. Возможно будут разрабатываться установки, интегрированные в архитектуру зданий — это должно создать новое направление в архитектуре как жилых, так и общественных зданий. У побережья предлагается размещать гидротурбины, использующие энергию приливов. Первая гидротурбина мощностью в 300 квт была 9 установлена в 2003 г. у Девонского побережья Англии; еще одна размещена близ Хаммерфеста в Норвегии. Аналогичные системы гидротурбин проектируются в зоне Нью-Йорка. В прибрежной зоне приливные волны проявляются в периодическом подъеме и опускании уровня. В узостях приливы часто проявляются в виде мощных течений. В некоторых местах высота прилива достигает значительной величины – 12-20 м. Энергия приливных волн огромна. Рис.5.45. Приливная «Аннапорлис» (Канада). электростанция Еще один альтернативный вид энергии — это волновая энергетика. В настоящее время накоплен значительный объем инструментальных измерений ветрового волнения в Мировом океане. На основе этих данных волновая климатология определяет районы с наиболее интенсивным и постоянным волнением. Первая заявка на патент волновой электростанции была подана в Париже в 1799 г. Уже в 1890 г. была предпринята первая попытка практического использования энергии волн, хотя первая волновая электростанция мощностью 2,25 МВт вошла в коммерческую эксплуатацию только в 2008 г. в районе Агусадора (Португалия) на расстоянии 5 км от берега (рис.5.44). Рис.5.44. Конвертеры волновой энергии первой в мире волновой электростанции Pelamis P-750 (Португалия). Перед волновой энергетикой не стоит в острой форме проблема воздействия на окружающую среду. Однако в настоящее время производство 1 кВт электроэнергии на волновых электростанциях в 5-10 раз выше, чем на АЭС или ТЭС. Кроме того, если значительная часть акватории будет покрыта волновыми преобразователями, это может привести к неприятным экологическим последствиям, так как волны играют важную роль в газообмене атмосферы и океана, в очистке поверхности моря и приводного слоя воздушного потока от загрязнения. Градиент-температурная энергетика Данный способ получения энергии основан на разности температур. Не слишком распространен. Посредством него можно получать достаточно большое количество энергии при небольшой ее себестоимости. Наибольшее число градиенттемпературных электростанций располагается на морском побережье и для работы использует морскую воду. 10 Почти 70% солнечной энергии поглощает мировой океан. Перепад же температур между водами на глубине в сотни метров и водами на поверхности океана – огромный источник энергии, который оценивается в 20-40 тыс. ТВт, из них можно использовать только 4 Твт. Недостатки: выделение большого числа углекислоты, нагрев и снижение давления глубинных вод, и остывание поверхностных вод. Данные процессы негативно влияют на климат, флору и фауну региона. Геотермальная энергетика Геотермальная энергия – это энергия, внутренних областей Земли, запасенная в горячей воде или водяном паре. В 1966 г. на Камчатке в долине реки Паужетка была пущена первая в СССР геотермальная тепловая станция мощностью 1,1 МВт. В отдаленных районах стоимость энергии, получаемой на геотермальных станциях, оказывается ниже стоимости энергии, получаемой из привозного топлива. Геотермальные станции успешно функционирует в ряде стран – Италии, Исландии, США. Первая в мире геотермальная электростанция была построена в 1904 г. в Италии. Геотермальная энергия в Исландии начала использоваться в 1944 г. Однако интерес и использование геотермальной энергии резко выросли в 60-70 годы. В США в Калифорнии в начале 90 годов действовало около 30 станций общей мощностью 2400 МВт. Пар для этих станций извлекался с глубин от 300 до 3000 м. В этом штате США за 30 лет мощность геотермальных станций возросла почти в 200 раз. Геотермальная станция в Адыгее Таковы темпы развития геотермальной энергетики. Наиболее доступна геотермальная энергетика в зонах повышенной вулканической деятельности и землетрясений. Такая привязка к определенным районам является одним из недостатков геотермальной энергетики. Гейзеры – это хорошо известная форма поступления на поверхность Земли горячей воды и пара. По оценке Геологического управления США разведанные источники геотермальной энергии могли бы дать 5-6% современного потребления электроэнергии в стране. Поиски новых источников получения энергии продолжаются во всем мире. 11
