Домашнее задание.

УТВЕРЖДАЮ
Проректор по учебной работе
Ю.А. Самарский
10 июня 2010 г
ПРОГРАММА
по КУРСУ ЭКОЛОГИЯ
по направлению 010900
факультет ФМБФ
кафедра биофизики и экологии
курс II
семестр 3
Экзамен - нет
лекции - 34 часа
зачёт в 3 семестре
практические (семинарские занятия) - нет
лабораторные занятия - нет
домашнее задание - 1
контрольные работы - 2
самостоятельная работа - 1 час в неделю
ВСЕГО ЧАСОВ – 51
Программу и задание составил д.ф.-м.н., проф. Э. М.Трухан
Программа обсуждена на заседании
кафедры биофизики и экологии
24 мая 2010 г.
Заведующий кафедрой
Э. М. Трухан
Задачи курса
Программа курса рассчитана на студентов физикоматематического профиля и не требует предварительной
специальной
подготовки
по
биологическим
и
медицинским вопросам.
Цель данного курса состоит в расширении
естественнонаучного мировоззрения слушателей в
области живой природы, минимально необходимого для
университетского
образования.
Программа
носит
общеобразовательный характер и не ставит задачу
подготовки специалистов-экологов, но она создает
необходимую основу для дальнейшего самостоятельного
развития слушателей в области наук о жизни и о биосфере. Усвоение содержания данного курса должно
способствовать пониманию комплексного характера
современной экологической проблемы, более объемному
видению событий в окружающей среде, лучшему
осознанию своего места и роли как специалиста в
сложной сети событий при взаимодействии человека с
объектами живой и неживой природы.
Помимо вопросов, относящихся к собственно
экологии в узком смысле слова, программа курса
включает и элементы современной проблемы охраны
природы и рационального использования природных
ресурсов.
Содержание курса
1. Человек и природная среда. Общая характеристика
состояния окружающей среды и динамики, её изменения.
Здоровье человека в связи с состоянием окружающей
среды. Глобальный характер экологической проблемы как
проблемы выживания человечества.
2.
Экология как отрасль знания о живой природе.
Отношения с другими науками. «Физическая экология».
Охрана природы и рациональное использование
природных ресурсов как смежная дисциплина. Структура
данного учебного курса. Приоритеты в решении
экологической проблемы.
3.Биосфера как физическая система. Основные понятия
физики
биосферы.
Биосфера
как
открытая
термодинамическая система. Энтальпия, свободная
энергия и химический потенциал биосферы. «Живая» и
«неживая» часть биосферы, их взаимосвязь, совместная
эволюция. Схема преобразования энергии и вещества в
биосфере. Глобальные потоки энергии и вещества.
4. Физика абиотической части биосферы. Понятие о ее
эволюции. Тепловой режим Земли. Средняя температура
планеты. Тепловой баланс атмосферы и поверхности
Земли.
Понятие
о
парниковом
эффекте.
Климатообразующие факторы, циркуляция атмосферы и
океана. Характерные ветры и течения. Естественные и
антропогенные причины эволюции климата. Физическая
природа глобальных процессов и всемирного потопа.
5. Понятие о физике биоты. Автотрофы и гетеротрофы.
Ключевые роли фотосинтеза и биологического окисления.
Представления о физике этих процессов. Трофические
цепи, коэффициенты преобразования энергии, закон
Линдемана. Экосистемы.
6. Популяция как совокупность самовоспроизводящихся
элементов. Общие уравнений роста элементов и
численности
популяции.
Взаимодействия
внутри
популяции и со средой. Биотический потенциал,
сопротивление и ёмкость среды, самоотравление. Влияние
параметров среды. Лимитирующие факторы. Возрастная
структура популяции. Демографическая ситуация в мире,
демографические прогнозы.
7.
Сообщество как устойчивая система видов. Типы
взаимоотношений между видами. Эволюция сообщества.
Понятие об экологической нише, Математические модели
взаимодействия видов и эволюции сообщества.
8. Экосистема как относительно устойчивое и
относительно изолированное сообщество региона.
Динамика эволюции экосистем. Первичная и вторичная
сукцессии,
климаксовые
экосистемы.
Адаптация,
изменение, вымирание. Понятие о математических
моделях развития экосистем и биосферы.
9.
Живой организм в окружающей среде. Основы
экологии человека.
Природа устойчивости живого
организма.
Типы внешних воздействий. Реакции
организма на адекватные и неадекватные воздействия.
Механизмы защиты организма от воздействия факторов
внешней среды и механизмы репарации повреждений.
Приспособление к внешним факторам и пределы
устойчивости живого организма. Стрессовые реакции и
адаптация к внешним условиям. Действие наркотиков,
алкоголя, курения.
10.
«Мишени» воздействия окружающей среды на
человека. Медицинские и экономические основы
нормирования воздействия внешних факторов. Понятие о
предельно допустимых концентрациях (ПДК), предельно
допустимых дозах (ПДД), предельно допустимых
воздействиях (ПДВ). Экологический риск, оптимизация
риска при ограниченных ресурсах.
11. Антропогенное воздействие на биосферу. Загрязнение
окружающей среды и разрушение биосферы, пределы
допустимого воздействия. Контроль состояния биосферы.
Скрининг, мониторинг, оценка пригодности или
опасности
среды
обитания.
Современные
и
перспективные методы. Состояние окружающей среды в
России.
12. Ресурсы биосферы. Понятие о возобновляемых и не
возобновляемых
ресурсах.
Основные
ресурсы
жизнеобеспечения человечества. Их количественная
характеристика. Структура, динамика и перспектива их
потребления. Техническая и системная оценка ситуации.
Состояние проблемы ресурсов в России. Современная
продовольственная проблема в мире.
13. Альтернативные технологии природопользования.
Перспективные способы
преобразования энергии и
вещества. Примеры
использования
нетрадиционных
энергетических ресурсов: атомная и термоядерная
энергия, геотермальная и солнечная (фотоэлектрическая,
фотохимическая,
ветровая)
энергия,
смешения.
тепловая, гидродинамическая,
тепловые
насосы, энергия
Домашнее задание.
1.
2.
3.
4.
В некоторый момент t = 0 тепловой радиационный баланс планеты Земля нарушен «внезапным» увеличением
солнечной постоянной, равной 1,37 кВт/кв. м., на 1 %.
Предполагая, что дополнительная солнечная энергия,
поглощаемая Землей, идет в основном на дальнейшее
плавление полярных льдов, оценить скорость, с которой
начнёт таять лёд полярных шапок. Считать, что
современная площадь полярных льдов составляет 10 %
от площади поверхности Земли, а альбедо льдов а = 0,6,
среднее альбедо поверхности Земли, свободной ото
льдов, b = 0,27. Радиус Земли R = 6,37 ٠ 106 м., теплота
плавления льда q — 330 кДж/кг. Изменением средней
температуры планеты пренебречь.
Оценить минимальный радиус антициклона при заданном перепаде давления между его центром и периферией.
Какая площадь пашни необходима одному человеку для
обеспечения его биоэнергетических потребностей?
Разумные предположения сделайте сами.
Зная среднюю абсолютную влажность атмосферного
воздуха Земли (0,25 % по весу) и принимая среднее
время периодического выпадения всей влаги в виде
осадков 10 дней (это средний интервал между штормами, бурями и ливнями), оценить массу ежегодных
осадков на планете.
5.
6.
7.
8.
9.
Пусть популяция рыбы в водоёме, изменение
численности которой описывается логистическим
уравнением
= (1 − )
пребывает в стационарном состоянии. В момент t0 начинается её вылов, который можно учесть введением в
уравнение дополнительного члена -hх, отражающего
непрерывное изъятие рыбы, где h заданная dtkbxbyf
интенсивности рыбацких усилий. Найти вид функции
х(т), где = t - t0.
Пусть система «"хищник - жертва»" описывается моделью Вольтера:
=
−
;
=−
+
где Х- численность жертвы, Y- численность хищника.
Найти средние значения численности жертв и хищников
за период их колебаний вокруг стационарных значений
при произвольной амплитуде колебаний.
Пусть в некоторую экосистему, в которой существовала
популяция консументов с численностью X, внесен
новый вид консументов Y, потребляющий те же продуценты, что и первый вид. Пусть возникшая между
ними конкуренция описывается уравнениями:
= ( −
−
);
=− (
−
−
Смогут ли виды устойчиво сосуществовать при р}р2 > q}q2
Два студента провели сутки в хорошо изолированной
комнате объёмом 30 м3, не имеющей газообмена с
внешней средой. Оценить, какими стали объёмные
фракции кислорода и углекислого газа в комнате к концу
их пребывания там? Справка: объёмные фракции
кислорода в нормальной атмосфере - 0,21; в выдыхаемом
воздухе - 0,16; углекислого газа в нормальной атмосфере 0,0003; в выдыхаемом воздухе - 0,04. Средняя мощность
метаболизма каждого студента -100 Вт.
В атмосферу Земли из естественных источников поступает с SO2 108 т. серы в год. Фоновое содержание
SO2 в природной атмосфере
0,2 • 10-9 по объёму.
Каково среднее время пребывания SO2 в чистой атмосфере?
10. В некотором замкнутом регионе полезный ресурс потребляется и переходит в «загрязнённое»" состояние с
экспоненциально растущей скоростью с постоянной
времени 0,25 года, но возвращается в исходное состояние по законам реакции первого порядка с характерным
временем превращения
0,5 года.
В начальный
момент, когда весь ресурс был «чистым», его масса составляла 50 т., а скорость потребления - 3 т. в год.
Оценить, за какое время весь ресурс перейдет в загрязнённое состояние?
11. В одном из проектов «альтернативной» энергетики
предлагается перебрасывать воды Средиземного моря в
Мёртвое море. Разность их уровней в 400 метров при
водосбросе 1 км3 в год позволит получить солидную
мощность. Полезно заметить, однако, что солёность
Мёртвого моря - 28 % значительно превосходит солёность воды Средиземного моря - 3,8 %. Это в принципе
позволяет, используя свободную энергию смешения,
получить дополнительную мощность.
Оценить
величину этой мощности, если бы процесс преобразования энергии удалось провести термодинамическим
обратимым образом, и сравнить её с мощностью первоначального варианта. Для простоты пренебречь потерями на трение при переброске воды, а солевой состав
воды считать - NaCl .
Литература
Основная:
1. Николайкин Н. И., Николайкина Н. Е., Мелехова О. Г!.
Экология: учеб, пособие для вузов. - М.: Изд. «Дрофа»,
2004. - 620 с.
2. Трухан Э. М., Евстафьев И. Б. и др. Введение в экологию
и экологическую безопасность. - М. : МФТИ. 2009. 209 с.
3. Трухан Э. М. Введение в экологию. Альтернативные
технологии природопользования. — М.: МФТИ, 2002.-179 с.
Дополнительная:
1.
Экологические проблемы: что происходит, кто виноват и
что делать? Учебное пособие / Под ред. В.И. ДаниловаДанильяна /— М: Издательство МНЭПУ, 1997. -332 с.
2.
Богданкевич О. В. Введение в экологию - М.: Физматлит, 205 с.
3.
Бялко А. В. Наша планета Земля. — М.: Наука (Библиотечка Квант, вып. 29), 1989. - 240 с.
4.
Бигон М., Харпер Дж., Таунсенд К. Экология. Особи,
популяции, сообщества. Т. I. - 477 с. Т.П. - 667 с. - М.:
Мир, 1989.
5. Эйхлер В. Яды в нашей пище. - М.: Мир, 1993. - 213 с.
Усл. печ. л. 0,4 .Тираж 115 экз.