1. Загрязнение ОС: химическое, тепловое, радиационное, шумовое, электромагнитное ЛЕКЦИЯ № 2
advertisement
ЛЕКЦИЯ № 2 ГЛОБАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ ЭКОЛОГИИ 1. Загрязнение ОС: химическое, тепловое, радиационное, шумовое, электромагнитное 1.1. Загрязнение атмосферы; вторичные явления: смог, кислотные дожди, парниковый эффект, истощение озонового слоя 1.2. Загрязнение гидросферы 1.3. Загрязнение литосферы и проблема отходов 2. Истощение ресурсов и снижение биоразнообразия 3. Проблема народонаселения и урбанизация 1. Загрязнение — привнесение в окружающую среду или возникновение в ней новых (обычно не характерных для нее) вредных химических, физических, биологических, информационных агентов. Загрязнение может возникать в результате естественных причин (природное загрязнение: пыльные бури, вулканический пепел и др.) или под влиянием деятельности человека (антропогенное загрязнение). По видам загрязняющих агентов загрязнение окружающей среды делят на физическое (тепловое, радиоактивное, шумовое, электромагнитное, световое и др.), химическое (тяжелые металлы, пестициды, синтетические поверхностно активные вещества — СПАВ, пластмассы, аэрозоли, детергенты и др.) и биологическое (патогенные микроорганизмы, продукты генной инженерии и др.). Помимо влияния на круговорот веществ, человек оказывает воздействие на энергетические процессы в биосфере. Наиболее опасным здесь является тепловое загрязнение биосферы, связанное с использованием ядерной и термоядерной энергии. Кроме вещественного и энергетического загрязнения начинает подниматься вопрос об информационном загрязнении окружающей человека среды. По масштабам загрязнение может быть глобальным, региональным и локальным (местным). По объектам загрязнения различают загрязнение атмосферного воздуха, загрязнение поверхностных и подземных вод, загрязнение почв и т.д., и даже загрязнение околоземного космического пространства. Приоритетные виды загрязнений и их источники Вид загрязнений Отрасль промышленности, для которой характерен указанный вид загрязнений Воздух Галогенсодержащие соединения Химическая, холодильная Металлические частицы Углеводороды Металлургическая, горнодобывающая СО2, SO2, NO, NO2 Тепловая энергетика, транспорт Активный ил Зола, шлак Металлы Мусор Почва Городские станции биологической очистки Энергетическая, металлургическая Металлургическая, химическая Коммунальнобытовое хозяйство, городское хозяйство Пластмассы, органические вещества Химическая 1 Радионуклиды АЭС, военная Целлюлоза и бумага Целлюлозно-бумажная, коммунальнобытовое хозяйство Взвешенные частицы Вода Коммунально-бытовое хозяйство Ионы тяжелых металлов Горнодобывающая, машиностроительная Красители, фенолы Легкоусвояемые и биогенные вещества Текстильная Сельское хозяйство, городское хозяйство Лигнины Целлюлозно-бумажная Минеральные соли Нефтепродукты Органические растворители Химическая Нефтедобывающая, нефтеперерабатывающая Химическая Пестициды Радионуклиды Синтетические поверхностноактивные вещества (СПАВ) Сельское хозяйство АЭС, военная Городские стоки Тепло Энергетическая (АЭС, ТЭЦ, ГРЭС) Изменения в атмосфере под воздействием примесей антропогенного происхождения Антропогенные изменения в атмосфере Парниковый эффект СО Разрушение озонового слоя Кислотные дожди Фотохимический смог Пониженная видимость Ослабление самоочищающей способности Основные газовые примеси в атмосфере СО2 СН4 NO, NO2 SO2 ОЗ NO2 + + + + ФРЕОНЫ + + + + + + + + + — Примечание: «+» газ усиливает эффект; «—» газ ослабляет эффект. Вещества, загрязняющие атмосферу, подразделяют также на первичные и вторичные. Первичные — это вещества, содержащиеся непосредственно в выбросах предприятий и поступающие с ними от разных источников. Вторичные являются продуктами трансформации первичных или вторичного синтеза. Они нередко более опасны по сравнению с первичными веществами 2 1.1. Загрязнение атмосферы; вторичные явления: смог, кислотные дожди, парниковый эффект, истощение озонового слоя Смоговые явления в атмосфере городов. Смог представляет собой результат комплексного действия различных загрязнителей. Первоначально под ним понималась смесь пылевых частиц и капель тумана (англ. смог - дым, копоть и фог - густой туман). В дальнейшем термин приобрел более широкое значение. В настоящее время различают три типа смогов. 1. Лондонский, или влажный, смог. Представляет смесь пылевидных частиц (в основном сажи, золы), тумана и химических загрязнителей (прежде всего сернистого ангидрида и окиси углерода). Такой смог обычно образуется при температурах около 0°С и безветренной погоде. В подобных условиях становится возможной так называемая температурная инверсия: у поверхности земли скапливается слой холодного воздуха, который прикрывается более теплым. Это ведет к застойным явлениям, поскольку горизонтальный и вертикальный обмен воздуха почти исключается. (При обычном «неинверсионном» типе погоды нагревающийся от поверхности земли и других объектов воздух поднимается в верхние слои и на смену ему опускается более холодный воздух, что исключает застойные явления.) В таких случаях концентрация вредных веществ в приземном слое может быстро достигать опасных для здоровья значений. Поражаются органы дыхания, нарушается кровообращение, нередки случаи смерти, особенно среди малолетних детей, пожилых и больных людей. Особую известность приобрел лондонский смог 1952 года, когда в течение двух недель погибло около 4000 человек. (Английские специалисты зафиксировали, что концентрация диоксида серы SО2 в те дни достигала 5—10 мг/м3 и выше при предельно допустимой концентрации (ПДК) этого вещества в воздухе населенных мест 0,5 мг/м3 (максимально разовое значение) и 0,05 мг/м3 (среднесуточное). Смертность в Лондоне резко возросла в первый же день катастрофы, а по прошествии тумана она снизилась до обычного уровня. Также было установлено, что прежде других умирали горожане старше 50 лет, люди, страдающие заболеваниями легких и сердца, а также дети в возрасте до одного года. Можно сопоставить данные о загазованности в Лондоне в те печально знаменитые дни со значением ПДК = 10 мг/м3 в воздухе рабочей зоны для диоксида серы. Проблема загазованности в Лондоне существовала с давних пор. Еще в XIII в., когда в окрестностях города начали исчезать леса, жители стали использовать каменный уголь, добывавшийся на морском побережье, плохо горевший и выделявший много дыма. Поэтому в 1273 г. в Англии был принят закон, запрещавший применение такого угля, что можно считать началом истории борьбы с загрязнением атмосферы. В 1952 г. загрязнение воздуха Лондона от отопительных систем домов в несколько раз превышало объем загрязнений от промышленных предприятий, развитие которых в городской черте целенаправленно тормозилось английским законодательством к тому времени уже более 100 лет. Урок из трагедии 1952 г. был извлечен достаточно быстро. В 1956 г. был принят закон о чистоте воздуха, который стал строго соблюдаться, и к 1970 г. выброс сажи (виновника атмосферной инверсии) из отопительных систем домов удалось снизить в 13 раз, а из промышленных установок — в 6 раз. В результате от былых Лондонских туманов не осталось и следа. Отмечаются случаи, когда в центре города тумана меньше, чем в его окрестностях, хотя проблема загрязненности оксидами серы сохранилась.) 2. Ледяной, или аляскинский, смог. Образуется при отрицательных и стабильных температурах и при малом количестве солнечной радиации. Представляет смесь твердых, газообразных (в основном SO2) веществ и кристаллов льда. Действие его сходно с лондонским. 3. Лос-анджелесский, или фотохимический, смог - результат вторичного загрязнения воздуха под влиянием фотохимических реакций. Непременное условие для его образования - наличие загрязняющих веществ, температурная инверсия и большое 3 количество солнечной радиации. Явление чаще всего типичное для субтропиков | и лишь в отдельных случаях - для умеренного пояса. Основным исходным химическим компонентом для данного смога является двуокись азота (NO2), которая в присутствии ультрафиолетовых солнечных лучей преобразуется в окись азота (NO) и атомарный кислород (О). Последний, в свою очередь, вступает в реакцию с кислородом воздуха и образует озон. К счастью, реакция обратима: озон, соединяясь с окисью азота, дает двуокись азота и кислород. Атомарный кислород, вступая в реакции с углеводородами, также образует очень агрессивные загрязняющие вещества пероксиацитиловые нитраты, или ПАН, формальдегид и другие соединения, которые вместе с озоном входят в группу фотооксидантов. Все смоги уменьшают поступление к земле солнечной радиации на 30-40% и особенно ультрафиолетовых лучей. Дефицит последних резко снижает обезвреживание циклических и ароматических углеводородов, в том числе бензо(а)пирена. Пероксиацетилнитраты нарушают обратимость процессов накопления - распада озона в атмосфере, поскольку они нейтрализуют образование окиси азота (NO), агента связывания атомарного кислорода. Основными компонентами для фотохимических реакций являются выхлопные газы автотранспорта и прежде всего оксиды азота и углеводороды (последние в значительном количестве поступают и при испарении бензина). Поэтому борьба с фотохимическим смогом - это прежде всего уменьшение выбросов продуктов горения двигателей внутреннего сгорания. Это и более полное сжигание топлива, и установка каталитических преобразователей (обычно платиновых), и мероприятия, стимулирующие окисление углеводородов до углекислого газа и воды. Кислотные дожди. При нормальном природном составе воздуха обычная дождевая вода имеет слабокислую реакцию (рН = 5,5... 5,6), что связано с хорошей растворимостью в ней СО2 и образованием слабой угольной кислоты по реакции СО2 + Н2 О → Н2СО3 → НСО3 + Н+, а также с присутствием в атмосфере оксидов серы и азота либо хлористого водорода природного происхождения. Однако физический захват (прилипание с возможным последующим растворением, абсорбция или адсорбция) оседающими частицами воды (осадками) различных химических веществ, присутствующих в атмосферном воздухе в избыточном количестве (преимущественно вследствие антропогенного происхождения), часто приводит к увеличению кислотности (уменьшению значения водородного показателя рН ниже 5,5), т. е. к образованию так называемых «кислотных» (или «кислых») осадков — дождя, тумана, росы, града, снега . Рис. 5.1. Схема образования кислотных осадков и их многообразного воздействия на экосистемы (по Б. Небелу) 4 Известен также «синдром кислотных частиц», при котором наблюдается оседание твердых частиц сульфатов Mex(SО4) , Me(HSО4) или нитратов Me(NО3) при отсутствии влаги с дальнейшим их растворением в воде на непосредственно подстилающей поверхности с образованием кислот. Основная причина образования и выпадения кислотных осадков (зачастую неточно называемых «кислотными дождями») — наличие в атмосфере оксидов серы и азота, хлористого водорода и иных кислотообразующих соединений. Считается, что преимущественно снижение величины рН вызвано выбросом в атмосферу серосодержащих загрязнений (-2/3) и соединений, содержащих азот (-1/3). Присутствие в воздухе заметного количества, например, аммиака или ионов кальция (Са2+) приводит к выпадению не кислых, а щелочных осадков. Однако их также принято называть кислотными, ибо они имеют «нестандартную» кислотность и при попадании на почву или в водоем соответственно меняют кислотность последних. Диоксид серы SО2 образуется в больших количествах при сжигании природных органических топлив. Среднее время жизни SО2 в атмосфере составляет четверо суток. В воздухе он подвержен фотохимическим (под действием солнечного света) превращениям и дальнейшему окислению с образованием триоксида серы SО3 , гораздо более вредного для окружающей природной среды, чем исходный диоксид. Сульфаты в частицах соли над океанами. Из-за больших размеров они оседают и быстро возвращаются в океан, и лишь ничтожная доля серы попадает в верхние слои атмосферы или рассеивается над сушей. Кроме того, из сульфатов морского происхождения в воздухе не может образовываться серная кислота, поэтому для кислотных осадков они не существенны. Соединяясь с парами воды, находящимися в воздухе, SО3 образует серную кислоту H2S04 . Наибольшая кислотность наблюдается непосредственно после начала выпадения дождя или снега. В этот момент кислотность может быть значительно выше средней, но в процессе выпадения происходит самоочищение атмосферы и рН приближается к нормальному значению. Считается, что среди кислотных осадков наиболее сильной кислой реакцией отличаются кислотные туманы. Так, в Гамбурге однажды была зафиксирована кислотность тумана (рН < 2) более высокая, чем у лимонного сока (рН = 2,3). Явление «кислотности дождей» было впервые точно описано еще в середине XIX в. Дж. Смитом, предложившим соответствующий термин по результатам изучения химизма осадков в районе г. Манчестера (Англия). Во второй половине XX в. Пропорционально растущим количествам выбросов оксидов серы и азота возросла и значимость последствий кислотных дождей, а в 70—80-е годы в промышленных регионах создалась ситуация, близкая к экологической катастрофе. Антропогенные выбросы соединений серы и азота характерны практически для любого вида индустриальной деятельности, а их абсолютные потоки в конце XX в. стали сопоставимы с соответствующими геохимическими потоками, иногда даже (на региональном уровне) превышая их. Основной источник оксидов серы — современная энергетика (теплоэлектростанции, работающие прежде всего на угле),а для оксидов азота — также и транспорт (рис.1). По существующим оценкам около половины всей серы, поступающей в атмосферу с выбросами типичной электростанции, удаляется из атмосферы с осадками. Кислотные осадки ускоряют процессы коррозии металлов, разрушения зданий, сооружений. Установлено, что в промышленных районах сталь ржавеет в 20 раз, а алюминий разрушается в 100 раз быстрее, чем в сельских районах. Многочисленны примеры начавшегося с середины XX в. разрушения памятников истории и культуры, изготовленных из природных минералов (мрамора, известняка и других, имеющих в своем составе СаСО3 и MgCО3). 5 Кислотные осадки представляют для человека опасность как при косвенном воздействии (путем изменения объектов окружающей среды), так и при непосредственном контакте. Излишнее количество кислоты в почве ведет к ее закислению, нарушает биологическое равновесие. Кроме того, кислотами из почвы выщелачиваются тяжелые металлы, далее усваиваемые растениями. Последние передают повышенную дозу тяжелых металлов животным, через которых (или непосредственно из растений) они поступают в организм человека. В регионах, где почва и дно водоема содержат значительные количества щелочных веществ (например, известняка), кислотные осадки не наносят большого вреда, поскольку нейтрализуются, например в соответствии с уравнением реакции СаСО3 + 2H+ → Са2 + + СО2 + Н2О В других регионах, характеризующихся наличием преимущественно гранитов или иных силикатных пород, неспособных нейтрализовать доминирующие кислотные дожди, величина рН воды в озерах, реках, а также в лесных и сельскохозяйственных почвах понижается. Такие геологические условия характерны для маломощных ледниковых почв Скандинавии, южных районов Канады, северных районов Великобритании, северовосточных областей США. Кислотные осадки вызывают летальные последствия для жизни в реках и водоемах. Многие озера Скандинавии и восточной части Северной Америки оказались настолько закислены, что рыба не может не только нереститься в них, но и просто выжить. В 70-е годы в половине озер указанных регионов рыба полностью исчезла. Наиболее опасно подкисление океанических мелководий, ведущее к невозможности размножения многих морских беспозвоночных животных, что может вызвать разрыв пищевых сетей и глубоко нарушить экологическое равновесие в Мировом океане. Тем не менее кислотные осадки столь вредоносны не для всех озер, а только для тех, чей водосборный бассейн не обладает способностью к нейтрализации кислотных добавок. Если подстилающие породы (например, граниты или гнейсы) устойчивы к растворению, то и озерам характерна «мягкая» вода, а если в подстилающих породах присутствует известняк, то вода становится «жесткой» (содержащей много солей). Озера последнего типа лучше «сопротивляются» закислению воды. Наряду с подстилающими породами на чувствительность озер к кислотным дождям аналогичным образом воздействуют и местные почвы. Наибольший ущерб от кислотных осадков наблюдается в лесах с глинистой и алюмосиликатными почвами, из которых кислые воды вымывают ионы алюминия. Последние уничтожают полезные почвенные бактерии, через корневую систему поступают в древесину и далее действуют как клеточные яды. Установлено, что кислотные осадки повреждают растительность. Первоначально снижается продуктивность лесов (прирост биомассы, что фиксируется по уменьшению размеров годичных колец на срезе ствола), а потом леса начинают гибнуть. По данным многочисленных наблюдений, наиболее чувствительны хвойные породы деревьев, хотя, как и для озер, важную роль здесь играют почвы и подстилающие породы. Парниковый эффект — разогрев нижних слоев атмосферы, вследствие способности атмосферы пропускать коротковолновую солнечную радиацию, но задерживать длинноволновое тепловое излучение земной поверхности. Парниковому эффекту способствует поступление в атмосферу антропогенных примесей (диоксида углерода, пыли, метана, фреонов и т.д.). Основным парниковым газом является двуокись углерода. Ее вклад в парниковый эффект, по разным данным, составляет от 50 до 65%. К другим парниковым газам относятся метан (около 20%), окислы азота (примерно 5%), озон, фреоны (хлорфторуглероды) и другие газы (около 10-25% парникового эффекта). Всего известно около 30 парниковых 6 газов. Утепляющий эффект парниковых газов зависит не только от их количества в атмосфере, но и от относительной активности действия на одну молекулу. Если по данному показателю СО2 принять за единицу, то для метана он будет равен 25, для окислов азота -165, а для фреонов 11000. Рис. 5.2 Механизм парникового эффекта Н2О – пары воды; СО2 – диоксид углерода; СН4 – метан; NO – оксид азота (II); NO2 – оксид азота (IV); ИК – лучи – тепловое длинноволновое инфракрасное излучение (длина волны: 760-1300 нм); t↑ - повышение температуры. Начиная с середины XIX столетия содержание СО, в атмосфере менялось следующим образом (частей на миллион, или содержание молекул СО2 на миллион молекул воздуха) 1859-265-290; 1958-313; 1978-330; 1990-350, т.е. увеличилось на 12-15%. На поверхность Земли поступает в основном поток видимых лучей - не тепловых. Эти лучи проходят через парниковые газы не изменяясь. В околоземном пространстве при встрече с различными телами значительная часть этих лучей трансформируется в длинноволновые (инфракрасные) тепловые лучи. Парниковые газы являются существенным препятствием для ухода в космическое пространство тепловых лучей. Они попадают как бы в ловушку и обусловливают повышение температуры воздуха (парниковый эффект) (рис.5.2). Рост средней температуры за последние полтора века показан на рис.5.3. Рис.5.3. Динамика изменения средней глобальной температуры у поверхности Земли за 1860—1998 гг. по данным Британского метеорологического общества. Столбиками показана средняя ежегодная температура воздуха у поверхности Земли в соответствующем году, а кривой — температура, усредненная по пятилетиям 7 Отрицательные для человечества последствия парникового эффекта заключаются в повышении уровня Мирового океана в результате таяния материковых и морских льдов, теплового расширения океана и т.п. Это приведет к затоплению приморских равнин, усилению абразионных процессов, ухудшению водоснабжения приморских городов, деградации мангровой растительности и т.п. Увеличение сезонного протаивания грунтов в районах с вечной мерзлотой создаст угрозу дорогам, строениям, коммуникациям, активизирует процессы заболачивания, термокарста и т.д. Положительные для человечества последствия парникового эффекта связаны с улучшением состояния лесных экосистем и сельского хозяйства. Повышение температуры приведет к увеличению испарения с поверхности океана, это вызовет возрастание влажности климата, что особенно важно для аридных (сухих) зон. Повышение концентрации углекислого газа увеличит интенсивность фотосинтеза, а значит, продуктивность диких и культурных растений. Киотский протокол.Проведенный в 1957 г. Международный геофизический год позволил международному научному сообществу создать широкую сеть станций по наблюдению за окружающей средой — основу для понимания планетарных процессов и влияния на них антропогенной деятельности. Исследования сразу же выявили непрерывное повышение содержания СО2 в атмосфере. В итоге уже в 1970 г. в отчете Генерального секретаря ООН упоминается о возможности «катастроф, связанных с потеплением». Обеспокоенность мирового сообщества данной проблемой привела к разработке и принятию в 1992 г. в Рио-де-Жанейро Международной Рамочной Конвенции ООН по изменению климата. В декабре 1997 г. в Киото (Япония) на Конференции сторон этой конвенции был подписан протокол к Конвенции, установивший для промышленно развитых государств-участников четкие лимиты (количественные обязательства) по сокращению выбросов СО2 относительно базового 1990 г. Цель соглашения в Киото — добиться совокупного сокращения к 2008—2012 гг. соответствующих выбросов по крайней мере на 5%, для чего члены Европейского союза и Швейцария должны в оговоренные сроки снизить выбросы на своей территории на 8%, США — на 7%, Япония — на 6% в год. Обязательства на последующие периоды времени Стороны Конференции договорились обсудить не позднее 2005 г. Киотский протокол предусматривает реализацию ряда совместных программ, в частности создание уникального механизма торговли квотами, заключающегося в том, что Стороны протокола могут перераспределять между собой (например, перепродавать) разрешенные им в течение определенного срока объемы выбросов. Разрушение озонового слоя. 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. «ОЗОННАЯ (озоновая) ДЫРА» – значительное пространство в озоносфере (слой атмосферы с наибольшей концентрацией озона на высотах 20-25 км) планеты с заметно пониженным (до 50% и более) содержанием озона. В 1987 г. 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. 5.4.). 8 Рис. 5.4. Уменьшение общего количества озона в зимние месяцы 1969—1986 гг. Опасность истощения озонового слоя заключается в том, что может снизиться поглощение губительного для живых организмов ультрафиолетового излучения. Ученые считают, что основными причиной истощения озонового слоя (экрана) являются: запуски космических ракет, самолеты, применение людьми хлорфторуглеродов (фреонов), которые широко используются в быту и производстве в виде аэрозолей, детергентов, пенообразователей, растворителей и т. д. В 1990 г. мировое производство озоноразрушающих веществ составляло более 1300 тыс. т. Хлорфторуглероды (CFC13 и СР2С12), попадая в атмосферу, разлагаются в стратосфере с выделением атомов хлора, которые катализируют превращение озона в кислород (молекула, разрушающая озон: димер одноокиси хлора, потому что она составлена из двух молекул одноокиси хлора. Димер существует только в особенно холодной стратосфере над полярными регионами, когда уровни одноокиси хлора относительно высоки. Эта молекула происходит из хлорфторуглеродов. Димер вызывает разрушение озона, поглощая солнечный свет и распадаясь на два атома хлора и молекулу кислорода. Свободные атомы хлора начинают взаимодействовать с молекулами озона, приводя к уменьшению его количества.). В нижних слоях атмосферы фреоны могут сохраняться в течение десятилетий. Отсюда они поступают в стратосферу, где в настоящее время их содержание ежегодно увеличивается на 5 %. Предполагается, что одной из причин истощения озонового слоя может быть и сведение лесов как продуцентов кислорода на Земле. 16 сентября 1987 г. был принят Монреальский протокол по веществам, разрушающим озоновый слой. Впоследствии по инициативе ООН этот день стал отмечаться как День защиты озонового слоя. По мнению врачей, каждый потерянный процент озона в масштабах планеты вызывает до 150 тысяч дополнительных случаев слепоты из-за катаракты, на 2,6 процента увеличивается количество раковых заболеваний кожи, значительно возрастает число болезней, вызванных ослаблением иммунной системы человека. Наибольшему риску подвержены жители северного полушария со светлой кожей. Но страдают не только люди. УФ-В излучение, к примеру, крайне вредно для планктона, мальков, креветок, крабов, водорослей, обитающих на поверхности океана. Озоновая проблема, первоначально поднятая учеными, вскоре стала предметом политики. Все развитые страны, за исключением Восточной Европы и бывшего СССР, к концу 1995 г. в основном завершили поэтапное сокращение производства и потребления озоноразрушающих веществ. С целью оказания помощи остальным государствам был создан Глобальный экологический фонд (ГЭФ). По данным ООН, благодаря согласованным усилиям мирового сообщества, предпринятым в последнее десятилетие, производство пяти основных видов ХФУ сократилось более чем вдвое. Темпы прироста озоноразрушающих веществ в атмосфере уменьшились. 9 1.2 Загрязнение гидросферы Вначале деятельность людей затрагивала лишь живое вещество суши и почву. В 19 в., когда начала бурно развиваться индустрия, в сферу промышленного производства начали вовлекаться значительные массы химических элементов, извлекаемых из земных недр. При этом воздействию стала подвергаться не только наружная часть земной коры, но также природные воды и атмосфера. В середине 20 в. некоторые элементы стали использоваться в таком количестве, которое сопоставимо с массами, вовлеченными в природные круговороты. Низкая экономичность большей части современной индустриальной технологии привела к образованию огромного количества отходов, которые не утилизируются в смежных производствах, а выбрасываются в окружающую среду. Массы загрязняющих отходов столь велики, что создают опасность для живых организмов, включая человека. Уменьшение общей массы некоторых элементов за счет общего уменьшения массы зеленых растений компенсируется внесением удобрений, которое вовлекает в биологическую миграцию значительно больше азота, фосфора и калия, чем естественная растительность. Вырубка леса и распашка почв способствуют усилению водной миграции. Таким образом, существенно увеличивается содержание соединений некоторых элементов (азота, калия, кальция) в природных водах. Загрязнителями воды являются и органические отходы. На их окисление расходуется дополнительное количество кислорода. При слишком низком содержании кислорода нормальная жизнь большинства водных организмов становится невозможной. Аэробные бактерии, которым необходим кислород, также погибают, вместо них развиваются бактерии, использующие для своей жизнедеятельности соединения серы. Признаком появления таких бактерий является запах сероводорода – одного из продуктов их жизнедеятельности. Природные воды могут загрязняться пестицидами и диоксинами, а также нефтью. Продукты разложения нефти токсичны, а нефтяная пленка, изолирующая воду от воздуха, приводит к гибели живых организмов (в первую очередь, планктона) в воде. В период бурения, освоения и эксплуатации скважин вместе с нефтью добывают пластовую воду, содержание которой на последней стадии может достигать до 10-20 м3/т. Пластовая вода в объеме 1 м3 с содержанием хлора (до 30%), йода (до 10%), брома (до 1,5%), попадая в водоем и источник пресной воды, делает 40-60 м3 ее непригодной для питья. Пластовая вода создает большие проблемы, связанные с утилизацией. Объемы этой воды в нефтяной промышленности достигают 2 млрд. м3 / год. Большую часть ее вновь нагнетают в нефтяные пласты (оборотное водопотребление), но 25-30% воды сбрасывают в реки и моря. Проблема борьбы с загрязнениями окружающей среды нефтью и ее продуктами вследствие аварийных разливов является актуальной проблемой для всего мира. Особенно опасно попадание нефти и продуктов ее переработки в водную среду, поскольку это сопряжено с возможность загрязнения территорий находящихся в десятках и сотнях километрах от места аварии. При сильных загрязнениях образуются зоны практически лишенные жизни. (За прошедший год на территории Саратовской области зафиксировано 164 очага загрязнения водных объектов нефтепродуктами. Степень загрязнения колеблется от 1 до 650780 ПДК. Максимальное загрязнение отмечается на предприятиях, деятельность которых связана с добычей, переработкой и хранением нефтепродуктов (ОАО «Саратовский нефтеперерабатывающий завод» - 650870 ПДК, ГП «Комбинат Кристалл» - 662 ПДК, Пугачевская нефтебаза - 472 ПДК). Потенциальную опасность представляют нефтеналивные танкеры, доставляющие нефть потребителям по водному пути. В Саратове это ОАО «Волготанкер», «Сартанкер» и другие предприятия, использующие бассейн реки Волга как транспортный путь для доставки нефти. Как правило, те водоемы, в которых природа уже не справляется с поступающим объемом загрязнителей, деградируют. В них процессы самоочищения тормозятся или не 10 протекают из-за изменения состава очищаемой биоты. Следствием этого является нарушение пищевых цепочек, прежде всего микробного населения водоемов, и ухудшения состояния его биологической среды в целом ). Взаимодействие нефти и воды характеризуется слоистыми физико-химическими процессами, протекающими с различной интенсивностью на разных стадиях формирования нефтяного загрязнения. Основные из них это - растекание, испарение, диспергирование, эмульгирование, окисление, седиментация. Испарение легких фракций приводит к уменьшению объема нефти в пленке, снижает воспламеняемость и токсичность, но уменьшает вязкость и плотность остатка. Диспергирование – образование мелких капель нефти вследствие механического перемешивания пленки волнами. Эмульгирование – образование смеси воды и нефти, отличающейся при определенных соотношениях высокой вязкостью и устойчивостью к распаду. Седиментация происходит вследствие увеличения плотности нефти при ее испарении, а так же в результате адсорбирования нефти минеральными частицами, содержащимися в воде. При попадании на поверхность воды нефть растекается тонким слоем от нескольких сантиметров до мономолекулярной пленки. Поэтому одна тонна нефтепродуктов, разлитая на поверхности воды, способна сделать непригодной для жизни несколько квадратных километров водного пространства. Токсичность в водной среде проявляется при концентрации более 1 мг/м3. Содержание нефтепродуктов в речных, озерных, морских, подземных водах и атмосферных осадках колеблется в довольно широких пределах и обычно составляет сотые и десятые доли мг/дм3. Эвтрофизация. Наряду с удобрениями источниками фосфатов служат и моющие средства. Нитраты и фосфаты попадают в воду также в результате микробиологической очистки бытовых стоков от органических загрязнений. Обычно хорошо растворимые в воде удобрения вымываются обильными дождями, попадая в грунтовые воды и поверхностные водоемы. В наиболее распространенных удобрениях ионы К+ и Са+ можно считать безвредными, так как их концентрации в природной воде не опасны для живых существ и не наносят ущерба природной среде. Напротив, ионы NO3-, NH4+, H2PO4способствуют эвтрофизации водоемов. Чтобы понять суть этого явления, необходимо различать две жизненные формы водных растений: бентосную и фитопланктонную. Бентосные растения развиваются, прикрепившись на дне. Они выживают в бедной биогенами воде, т.к. получают необходимые элементы, например, азот и фосфор, из донных отложений, но нуждаются в проникновении сквозь толщу воды достаточного для фотосинтеза количества света. Фитопланктон состоит из множества видов водорослей, представляющих собой отдельные клетки, их скопления или «нити», которые держатся вблизи поверхности воды. Очевидно, что мутная вода мало на них влияет, а высокая численность планктона – сама по себе важнейшая причина ее помутнения. Фитопланктон не связан с дном, поэтому должен получать биогены из воды. Естественные наземные экосистемы очень эффективно рециклизуют биогены, предотвращают поверхностный сток и эрозию. Таким образом, в природе с суши в водоемы попадает относительно небольшие количества биогенов. В результате в водоемах создаются олиготрофные, т.е. бедные биогенами условия. Это ограничивает рост фитопланктона, но позволяет бентосной растительности развиваться на большой глубине. Атмосферный кислород очень медленно растворяется и смешивается с водой, особенно если поверхность водоема спокойная. Следовательно, бентосные растения не только обеспечивают нишу и убежище водным животным, но и поддерживают высокое содержание растворенного кислорода на глубине. Таким образом, в олиготрофном водоеме может существовать богатая разнообразная экосистема по всей его глубине. 11 В условиях усиленной эрозии прилегающих к водоему территорий и выщелачивания удобрений водоем постепенно заполняется наносами и обогащается биогенами. Уже 10 мг фосфата на 1 м3 воды приводят к заметному росту фитопланктона. Фитопланктон затеняет бентосную растительность, а кислородом обогащает лишь верхний слой водоема, откуда тот быстро улетучивается. Более того, у фитопланктона очень короткий жизненный цикл, что приводит к быстрому его отмиранию и опусканию на дно. Происходит накопление детрита в глубине водоема. Питаясь детритом, редуценты, в основном бактерии, также потребляют кислород, сокращая его содержание в воде. Запускается механизм опрокидывания аэробных условий в анаэробные со всеми вытекающими отсюда последствиями. Таким образом, эвтрофизацией называется обогащение водоема биогенами, стимулирующее рост фитопланктона. От этого вода мутнеет, гибнут бентосные растения, задыхаются обитающие на глубине рыбы и моллюски. Растворимые соединения азота не только способствуют зарастанию водоемов. Попадая в питьевую воду, они могут оказывать токсическое действие на людей. Проникая в желудок и кишечник, нитраты микробиологически восстанавливаются до нитритов, которые, попадая в кровь, препятствуют связыванию кислорода гемоглобином. В результате возникают симптомы кислородной недостаточности. Особенно чутко на нитраты реагируют грудные дети. Кроме того, азотистая кислота, также образующаяся в кишечнике в результате попадания нитратов, обладает мутагенным эффектом. 1.3. Загрязнение литосферы и проблема отходов Помимо накопления в почве токсичных и вредных веществ в результате деятельности человека, ущерб землям наносится за счет захоронения и свалок промышленных и бытовых отходов. Среди многих последствий хозяйственной деятельности человеческого общества особое значение имеет процесс прогрессирующего накопления металлов в окружающей среде. К наиболее опасным загрязнителям относят ртуть, свиней и кадмий. Существенное воздействие на живые организмы и их сообщества оказывают также техногенные поступления марганца, олова, меди, молибдена, хрома, никеля и кобальта 2. Истощение природных ресурсов и снижение биоразнообразия Огромные масштабы использования природных ресурсов привели к значительному изменению ландшафтов в некоторых регионах (например, в угольных бассейнах). Если на заре цивилизации человек использовал для своих нужд всего около 20 химических элементов, в начале XX в. около 60, то сейчас более 100 – почти всю таблицу Менделеева. Ежегодно добывается (извлекается из геосферы) около 100 млрд. т руды, топлива, минеральных удобрений. Быстрый рост потребностей в топливе, металлах, минеральном сырье и их добыче привели к истощению этих ресурсов. Так, по оценкам специалистов, при сохранении современных темпов добычи и потребления разведанные запасы нефти будут исчерпаны уже через 30 лет, газа – через 50 лет, угля – через 200. Аналогичная ситуация сложилась не только с энергетическими ресурсами, но и с металлами (истощение запасов алюминия ожидается через 500-600 лет, железа – 250 лет, цинка – 25 лет, свинца – 20 лет) и минеральными ресурсами, как, например, асбест, слюда, графит, сера. Термин «биоразнообразие» широко используют ученые, политики, средства массовой информации. Вместе с тем он отнюдь не однозначен, хотя принятая в Рио-де-Жанейро в 1992 г. Конвенция о сохранении биоразнообразия имела ввиду только потерю видов живых существ на Земле. Действительно, исчезновение видов в последние десятилетия достигло угрожающих темпов, и есть основания опасаться, что их массовое вымирание, вызванное деятельностью человека, может привести к непредсказуемым последствиям. Темп вымирания 12 видов сейчас в 500—1000 раз выше, чем во время пермского и мелового биосферных кризисов. Никто не может предсказать, какими станут условия жизни на Земле в гипотетической новой, "посткайнозойской" эре. Вряд ли они окажутся благоприятными для человека, сформировавшегося как биологический вид в условиях кайнозойской эры. Очевидно, что в этой ситуации оптимальная стратегия - сохранить в максимальной полноте еще оставшееся видовое разнообразие жизни на нашей планете, т.е. предотвратить сокращение генетических ресурсов планеты. Прогнозы в отношении темпов обеднения флоры и фауны Земли, сделанные в разные годы, заставляют внимательнее отнестись к этой проблеме. Например, в вышедшей 10 лет назад работе А.В.Яблокова и С.А.Остроумова на основании имевшихся к тому времени данных делается вывод, что в целях сохранения биоразнообразия, необходимого для устойчивого выполнения биотой функции поддержания качества природной среды, нужно полностью исключить из хозяйственной деятельности человека около 1/3 всей поверхности суши. Еще треть поверхности может использоваться при условии сохранения природного фона, и только 1/3 может быть отведена под полностью преобразованные земли: поля, пастбища, города, дороги. При этом к концу 70-х гг. площади всех охраняемых территорий в мире составляли около 2,5%, а за 10 лет увеличились до 5%. Очевидно, даже при сохранении таких темпов (что само по себе крайне маловероятно) необходимые 30% площадей могут быть достигнуты не раньше 2050 г. В то же время темп вымирания видов устойчиво возрастает. Если с 1600 по 1975 г. вымерло примерно 1,2% видов млекопитающих и птиц, то к концу 80-х гг. под угрозой вымирания находилось около 8% (не менее 1000 видов). Ускоренное вымирание видов может привести к тому, что к 2000 г. исчезнет до 20%, а к 2050 г. - до 50% видов. Продолжают действовать все основные причины исчезновения видов: - разрушение местообитаний, - прямое и непреднамеренное (попутное) уничтожение, - воздействие загрязнений, - чрезмерный промысел и др. Сопоставление двух тенденций: увеличения площади охраняемых территорий, с одной стороны, и ускорения вымирания видов — с другой, приводит к заключению, что стабилизация разнообразия биоты Земли может быть достигнута тогда, когда 40—50% видов уже исчезнет. Возможно, развитие резерватов, препятствуя возрастанию темпов вымирания, позволит достигнуть равновесия раньше, и биоразнообразие стабилизируется на уровне 70-80% ныне сохранившегося. Но будет ли эта стабилизация реальной и насколько обедненная на 20—30% биота сможет эффективно поддерживать уровень взаимозависимости процессов в биосфере? Собственно, влияние экосистем на обмен вещества и энергии, биогеохимические циклы элементов, испарение с поверхности листьев и другие процессы зависит не столько от биоразнообразия, сколько от биомассы. Кроме того, режимы влажности и освещения, динамика температур гораздо сильнее влияют на показатели продуктивности, чем на видовое разнообразие экосистем. Вместе с тем известно, что такие свойства экосистем, как устойчивость к разрушающим воздействиям, способность к самовосстановлению и некоторые другие, прямо зависят от числа видов. Хотя не существует моделей, которые делали бы возможным надежный прогноз, но качественный анализ ситуации показывает, что потеря видового разнообразия может привести к изменению всей жизни на Земле, фактически к наступлению новой геохронологической эры. Если это произойдет, судьба человечества в этой "посткайнозойской" эре станет непредсказуемой. Принципиально невозможно в силу случайности мутаций и стихийности эволюционных процессов предвидеть свойства и меру агрессивности новых видов вирусов и микроорганизмов, червей, насекомых и других животных с быстрой сменой поколений и даже сравнительно хорошо изученных позвоночных. 13 Темпы современного вымирания видов могут быть сопоставлены с таковыми во время известных биосферных катастроф или кризисов в истории Земли. Масштабы последствий таких вымираний известны: пермское вымирание закончилось наступлением мезозойской эры, конец которой отмечен меловым вымиранием видов, расчистившим жизненную арену для царства млекопитающих и птиц кайнозойской эры. Смена преобладающей растительности — папоротникообразных палеозоя на голосеменные мезозоя и этих последних на покрытосеменные кайнозоя — вызвала значительные изменения и в фауне наземных беспозвоночных. Не менее значительные изменения захватили практически и все группы морских животных, так что весь облик жизни на Земле существенно изменился. Нормальный темп вымирания, при котором эволюционный процесс как минимум компенсирует потери биоразнообразия, составляет девять миллионных от всего числа видов в год. Этот темп возрастал примерно в 100 раз во время массовых вымираний. Во время пермского биосферного кризиса вымерло 52% семейств и от 77 до 96% видов морских животных, во время мелового — не менее 50%. Оценка современного темпа вымирания (50% видов с 1975 по 2050 г.) дает возможность прогнозировать темп сокращения биоразнообразия, близкий к 0,5% в год, что в 500 раз выше темпов вымирания, характеризовавших пермский и меловой биосферные кризисы. Эрлих, известный американский эколог, считает, что "последствия редукции биоразнообразия при сохранении тенденции в следующие 100 лет сравнимы с последствиями ядерной войны". Формы сохранения биоразнообразия. Практически вопрос о сохранении исчезающего вида требует решения двух задач: первая — сохранение генетической базы вида; вторая — восстановление вида на основе единичных или даже единственной малочисленной популяции. Генетическое разнообразие такой популяции недостаточно, опасность инбридинга и неизбежного снижения жизненности тем больше, чем меньше число особей — основателей восстанавливаемой популяции. В США на цели сохранения и восстановления видов дикой природы только Конгрессом отпускается более 40 млн. долларов ежегодно. Примерно столько же тратят научные и общественные фонды, многие энтузиасты бесплатно вкладывают свое время и силы в решение этих задач. Благодаря усилиям американцев удалось за 12 лет спасти от исчезновения 16 видов растений. Но за то же время безвозвратно исчезло 26 видов. Причина — разрушение местообитаний, которому почти невозможно противостоять. Наиболее надежный способ сохранения биоразнообразия — сберечь все основные и уникальные экосистемы на площадях, достаточных для устойчивого выживания подавляющего большинства видов, а лучше — всех животных, растений, грибов и микроорганизмов, составляющих их биоту. Эту задачу выполняют заповедники, или резерваты, с наиболее полным запретом всякой хозяйственной деятельности на их территории (исключение составляют работы, связанные с поддержанием заповедных видов и территорий: подкормка, подготовка гнездовий, санитарная рубка и др). а также национальные парки, заказники, и другие особо-охраняемые природные территории (ООПТ), красные книги, генетические криобанки. 3. Проблема народонаселения и урбанизация «Демографический взрыв» - периодическое резкое увеличение численности населения, связанное с улучшением социально-экономических или общеэкологических факторов. Характерен для современного этапа демографической революции человечества. В настоящее время численность населения Земли увеличивается в ряде стран и регионов довольно высокими темпами. В таких регионах, как Западная Европа, Северная Америка, Восточная Европа и на территории РФ отмечается сравнительно низкий рост населения – темп роста составляет в среднем 0,2-0,8%. В других же (Юго-Восточная Азия, Латинская Америка, Индостан, Африка) отмечен высокий темп роста населения – в среднем 2,214 2,8%. Численность населения в регионах с низким ростом этого показателя увеличивается ежегодно на 19 млн. человек, тогда как в регионах с высокими темпами роста – на 60 80 млн, то есть в 3-4 раза. На оригинальной диаграмме (рис.5.1), составленной экспертами ЮНЕСКО на основе демографических прогнозов, проиллюстрирован рост населения нашей планеты – по масштабам и темпам беспрецедентный в истории человечества. Кривые диаграммы образуют чашу бокала, ширина которого показывает численность населения Земли при неизменной ее площади. Видно, что быстрый рост населения начался с 1960 г. и к концу XX века составил ~ 6 млрд человек. Рис. 5.1.Демографические прогнозы роста населения планеты По долгосрочным прогнозам к 2090 г. произойдет стабилизация населения планеты примерно на уровне 12 млрд. человек. При таком увеличении населения в отдельных регионах земного шара уже превышены предельно допустимые нагрузки на природные экосистемы, что может привести к деградации природных систем жизнеобеспечения. Возникает сложная продовольственная проблема, так как по данным ФАО (Всемирная организация продовольствия) в настоящее время в развивающихся странах систематически голодает около 515 млн. человек. Поэтому сейчас по линии ООН, ЮНЕСКО (Организация Объединенных Наций по вопросам образования, науки и культуры) проводятся исследования по решению глобальной продовольственной проблемы с учетом демографических, экологических, энергетических и других факторов. 15
