1.9 Политика и процедура курса

- Обязательное посещение занятий

- Своевременная отчетность по всем видам контроля

- отработка пропущенных занятий

2 Содержание активного раздаточного материала

2.1 Тематический план курса

Наименование темы	Количество академических часов
	Лекции	Практич.	СРСП	СРС
Введение. Предмет «Экология и УР», понятие, определение, становление и развитие экологии как науки	1	3	2	2
Устойчивость экосистем и их изменение	1		2	2
Основные принципы функционирования природных экосистем	1	2	2	2
Биосфера и биосферно-ноосферная концепция В.И.Вернадского	1		2	2
Концепция Устойчивого развития и охрана природы	1	2	2	2
Природные ресурсы и рациональное природопользование как один из аспектов устойчивого развития	1		2	2
Антропогенные факторы возникновения неустойчивости в биосфере	1	2	2	2
Социально-экологические проблемы современности и устойчивое развитие	1		2	2
Охрана атмосферного воздуха	1	2	2	2
Методы и средства защиты атмосферы	1		2	2
Охрана водных ресурсов	1	2	2	2
Охрана почв	1		2	2
Защита литосферы от промышленных и бытовых отходов	1	2	2	2
Методы и критерии оценки состояния окружающей среды	1		2	2
Система управления и контроля в области охраны окружающей среды	1		2	2
Всего (часов)	15	15	30	30

2.2 Конспект лекционных занятий

Тема лекции 1 – Введение. Предмет «Экология», понятие, определение, становление и развитие экологии как науки. Цель и задачи, методы экологии. Разделы экологии: аутэкология, синэкология и демэкология. Популяция, понятие, определение. Трофические связи. Продуценты, консументы и редуценты.

Экология (от греч. ойкос – дом, жилище и логос – учение) – наука, изучающая условия существования живых организмов и взаимосвязи между организмами и средой, в которой они обитают. Термин экология был предложен в 1866 году немецким зоологом Эрнестом Геккелем (1834-1919).

Предметом экологии является совокупность или струк­тура связей между организмами и средой. Главный объект изучения в экологии – экосистемы, т.е. единые природные комплексы, образованные живыми организмами и средой обитания. Кроме того, в область ее компетенции входит изучение отдельных видов организмов (организменный уро­вень), их популяций, т.е. совокупностей особей одного вида (популяционно-видовой уровень), биотических сообществ, т.е. совокупностей популяций (биоценологический уровень), и биосферы в целом (биосферный уровень).

Основной, традиционной, частью экологии как биологи­ческой науки является общая экология, которая изучает об­щие закономерности взаимоотношений любых живых орга­низмов и среды (включая человека как биологическое суще­ство).

В составе общей экологии выделяют следующие основ­ные разделы:

• аутэкологию, исследующую индивидуальные связи отдель­ного организма (виды, особи) с окружающей его средой;

• популяционную экологию (демоэкологию), в задачу которой входит изучение структуры и динамики популяций отдель­ных видов. Популяционную экологию рассматривают и как специальный раздел аутэкологии;

• синэкологию (биоценологию) – изучающую взаимоотноше­ние популяций, сообществ и экосистем со средой.

Для всех этих направлений главным является изучение выживания живых существ в окружающей среде и задачи перед ними стоят преимущественно биологического свойст­ва – изучить закономерности адаптации организмов и их со­обществ к окружающей среде, саморегуляцию, устойчивость экосистем и биосферы и т. д.

В последнее время роль и значение биосферы как объек­та экологического анализа непрерывно возрастает. Особен­но большое значение в современной экологии уделяется про­блемам взаимодействия человека с окружающей природной средой.

Выдвижение на первый план этих разделов в эколо­гической науке связано с резким усилением взаимного отри­цательного влияния человека и среды, возросшей ролью экономических, социальных и нравственных аспектов, в связи с резко негативными последствиями научно-технического прогресса.

Таким образом, современная экология не ограничивает­ся только рамками биологической дисциплины, трактующей отношения главным образом животных и растений, она пре­вращается в междисциплинарную науку, изучающую слож­нейшие проблемы взаимодействия человека с окружающей средой. Актуальность и многогранность этой проблемы, вы­званной обострением экологической обстановки в масшта­бах всей планеты, привела к «экологизации» многих естест­венных, технических и гуманитарных наук.

Например, на стыке экологии с другими отраслями зна­ний продолжается развитие таких новых направлений, как инженерная экология, геоэкология, математическая эколо­гия, сельскохозяйственная экология, космическая экология и т. д.

Экологическими проблемами Земли как планеты зани­мается интенсивно развивающаяся глобальная экология, ос­новным объектом изучения которой является биосфера как глобальная экосистема. В настоящее время появились и та­кие специальные дисциплины, как социальная экология, изу­чающая взаимоотношения в системе «человеческое общест­во – природа», и ее часть – экология человека (антропоэкология), в которой рассматривается взаимодействие человека как биосоциального существа с окружающим миром.

С научно-практической точки зрения вполне обосновано деление экологии на теоретическую и прикладную.

Теоретическая экология вскрывает общие закономерно­сти организации жизни.

Прикладная экология изучает механизмы разрушения биосферы человеком, способы предотвращения этого процес­са и разрабатывает принципы рационального использования природных ресурсов. Научную основу прикладной экологии составляет система общеэкологических законов, правил и принципов.

Исходя, из приведенных выше понятий и направлений сле­дует, что задачи экологии весьма многообразны.

В общетеоретическом плане к ним относятся:

• разработка общей теории устойчивости экологических сис­тем;

• изучение экологических механизмов адаптации к среде;

• исследование регуляции численности популяций;

• изучение биологического разнообразия и механизмов его поддержания;

• исследование продукционных процессов;

• исследование процессов, протекающих в биосфере, с це­лью поддержания ее устойчивости;

• моделирование состояния экосистем и глобальных био­сферных процессов;

• экологическая индикация при определении свойств тех или иных компонентов и элементов ландшафта, в том числе индикация загрязнения природных сред;

• сохранение (консервация) эталонных участков биосферы.

Однако задачи экологии как учебной дисциплины в техническом ВУЗе иные.

Основные прикладные задачи экологии применительно к деятельности инженера промышленного производства могут быть сформулированы следующим образом:

• оптимизация технологических, инженерных и проектно-конструкторских решений, исходящих из минимального ущерба окружающей среде и здоровью человека;

• прогнозирование и оценка возможных отрицательных последствий действующих и проектируемых предприятий (технологических процессов) для окружающей среды, человека, животных, растений, сельского, лесного и рыбного хозяйства;

• улучшение качества окружающей природной среды;

• своевременное выявление и корректировка конкретных технологических процессов, наносящих ущерб окружающей среде, угрожающих здоровью человека.

Итак, именно экология является научной базой охраны окружающей среды.

Стратегической задачей экологии считается развитие теории взаимодействия природы и общества на основе ново­го взгляда, рассматривающего человеческое общество как не­отъемлемую часть биосферы.

Решение поставленных задач позволит достигнуть ощу­тимых результатов в ближайшей перспективе и, в конечном счете, главнейшей цели – вывести человечество из глобаль­ного экологического кризиса на путь устойчивого развития, при котором достигается удовлетворение жизненных потреб­ностей нынешнего поколения без лишения такой возможности будущих поколений.

Экология изучает уровни биологической организации от организма до экосистем.

Ген, клетка, орган, организм, популяция, сообщество (био­ценоз) – главные уровни организации жизни, которые явля­ются биотическими компонентами биосистем, которые вместе с абиотическими компонентами образуют среду обитания орга­низмов. Абиотическая среда («неживая», bios – жизнь, а – отрицание) состоит из отдельных неорганичес­ких частей (воздух, вода и др.) и факторов (температура и др.), которые и называют абиотическими компонентами, в отличие от биотической среды и биотических компонентов, представ­ленных живым веществом.

Экология изучает биотические системы с организменного уровня и выше, т. е системы организмов (организм + абиоти­ческая среда), популяционные системы (популяция + абиоти­ческая среда) и экосистемы (биоценоз + биотоп). Так образу­ются уровни биологической организации биологических систем, которые различаются по принципам организации и масштабам явлений.

В экологии организм рассматривается как целостная сис­тема, взаимодействующая с внешней средой, как абиотичес­кой, так и биотической. В этом случае речь должна идти о со­вокупности, определяемой как биологический вид, состоящий из сходных особей, но как индивидуумы отличающихся друг от друга. Однако всех их объединяет единый генофонд, обес­печивающий способность к размножению в пределах вида (не может быть потомства от особей различных видов). Вид – это биологически целостная группа – видовая популяция.

Популяция в самом общем виде – это совокупность осо­бей одного вида, способная к самовоспроизведению и обладаю­щая некоторой изолированностью в пространстве (Гиляров, 1990).

Популяция как биологическая единица обладает опре­деленной структурой и функцией. Ей свойствен рост, раз­витие, способность поддерживать существование в посто­янно меняющихся условиях. В популяции постоянно воз­никают наследственные изменения. В популяции происхо­дят борьба за существование, а также естественный отбор, благодаря которым выживают и дают потомство лишь осо­би с полезными в данных условиях свойствами.

Популяция обладает многими признаками, которые ха­рактеризуют группу как целое. Основными характеристи­ками популяции являются плотность, численность, рожда­емость, смертность, возрастной состав, характер распре­деления на территории.

Плотность популяции определяется числом особей, приходящихся на единицу площади или объема. Каждому виду присуща определенная оптимальная плотность попу­ляции, отклонения от которой в ту или другую сторону от­рицательно сказываются на темпах воспроизводства и жиз­недеятельности особей.

Численность популяции различна у разных видов, но она не может быть ниже некоторых пределов. Падение чис­ленности за эти пределы может привести к исчезновению популяции. Численность популяции может резко меняться по сезонам и годам. Возрастной состав популяции имеет большое значение для ее существования и процветания. При благоприятных условиях в популяции присутствуют все возрастные группы, и поддерживается более или менее стабильный возрастной состав. Возрастной состав популя­ции зависит от продолжительности жизни особей, периода достижения ими половой зрелости, числа генераций.

Характер распределения особей популяции в простран­стве может быть равномерным, случайным и скученным.

Примеры популяций: у людей – национальности, расы, у животных – породы.

На уровне популяций экология решает вопросы, свя­занные с количеством отдельных видов, изменениями и ко­лебаниями численности отдельных популяций.

Особое значение для выделения экосистем имеют трофи­ческие, т. е. пищевые взаимоотношения организмов, которые по своему трофическому статусу в биотических сообществах подразделяются на автотрофов и гетеротрофов.

По своим функциям, которые организмы выполняют в со­обществах, все организмы подразделяются на продуценты, консументы и редуценты.

Продуценты – производители продук­ции, которой потом питаются все организмы – это автотрофы, создающие органические вещества из неорганических. Консументы – потребители органических веществ: травоядные животные, питающиеся продуцентами; плотоядные (хищни­ки) – питающиеся только мясом других животных; всеядные – употребляющие и мясную и растительную пищу (человек, медведь). Редуценты (деструкторы) – восстановители, возвра­щающие вещества из отмерших организмов снова в неживую природу, разлагая органику до простых неорганических соеди­нений (микроорганизмы и грибы).

Взаимосвязи организмов в экосистемах весьма многообразны. Наиболее важное значение имеют пищевые, или трофические (греч. trophe – питание) взаимосвязи: один организм поедается другим, тот третьим и т. д. Ряд таких звеньев называется пищевой (трофической) цепью.

Энергия передается от организма к организму, создающих пище­вую, или трофическую цепь: от автотрофов, продуцентов (создателей) к гетеротрофам, консументам (пожирателям) и так четыре-шесть раз с одного трофического уровня на другой.

Трофический уровень – это место каждого звена в пищевой цепи. Первый трофический уровень – это продуценты, все остальные – кон­сументы. Второй трофический уровень – это растительноядные кон­сументы; третий – плотоядные консументы, питающиеся расти­тельноядными формами; четвертый – консументы, потребляющие других плотоядных и т. д. Следовательно, можно и консументов разделить по уровням: консументы первого, второго, третьего и т. д. по­рядков.

В при­роде пищевые цепи редко изолированы друг от друга; в основном они взаимосвязаны и образуют сложную пищевую сеть.

Несмотря на многообразие возможных пищевых цепей и сложность пищевых сетей все они соответствуют простой общей схеме: организмы последующего звена поедают орга­низмы предыдущего, и таким образом осуществляется цеп­ной перенос энергии и вещества, лежащий в основе круго­ворота веществ в природе. При каждом переходе от звена к звену теряется большая часть (до 90%) потенциальной энер­гии, рассеивающейся в виде тепла. По этой причине число звеньев в цепи ограниченно и не превышает 4-5.

Основная литература: 1[5-38], 2[5-18], 3 [3-15], 4[5-11]; 5[3-14]

Дополнительная литература: 1[7-19], 2[3-25]

Контрольные вопросы:

1. Что такое экология и что является предметом ее изучения?

2. Раскройте содержание понятий «популяция», «теоретическая экология», «прикладная экология», «социальная экология».

3. Дайте определение понятиям пищевой цепи, пищевой сети и трофического уровня.

Тема лекции 2 – Устойчивость экосистем и их изменение. Понятия: Сообщество. Биоценоз. Экосистема, биогеоценоз. Экологическая пирамида. Экологические факторы среды, их классификация. Закон минимума Ю.Либиха и толерантности В.Шелфорда. Изменение экосистем – сукцессия.

Биоценоз – (от греч. bios – жизнь, koinos – вместе) включает все популяции разных видов, характеризующих­ся определенными отношениями, как между собой, так и неорганической средой на определенной территории, называ­емой биотопом (например, сообщества озера, рощи и т. д.).

Биоценоз – совокупность растений, животных и микроор­ганизмов, населяющих участок среды с более или менее однородными условиями существования, который образо­вался естественно или под влиянием человека.

Биогеоценозы (от греч. bios – жизнь, gео – земля, koinos – вместе) – экологические системы или экосистемы – са­мые сложные естественные (природные) системы.

Экосистема – любая совокупность взаимодействую­щих живых организмов, условий среды, функционирую­щих как единое целое за счет обмена веществом, энерги­ей и информацией.

Термин "Экосистема" введен в экологию английским бо­таником А. Тенсли (1935 г.), а "биогеоценоз" – русским уче­ным В. Н. Сукачевым (1942 г.).

Экосистема – это взаимосвязанный комплекс живых и неживых компонентов Земли. Живыми компонентами экосистемы являются растения, животные, грибы, большинство бактерий и вирусы (биоценоз экосис­темы); неживыми компонентами экосистемы являются ат­мосфера, солнечная энергия, вода, почва (биотоп экосис­темы).

Экосистемы не изо­лированы друг от друга: процессы в одной экосистеме неиз­бежно затрагивают и другую, соседнюю экосистему. Так, частицы почвы и элементы питания, вымываемые водой из почвы, могут влиять на жизнь в водоемах. Все экосистемы взаимосвязаны и взаимозависимы.

Ю. Одум выделяет три группы природных экосистем: наземные, пресноводные и морские.

Наземные экосистемы – это тундра, пустыня, лесо­степи и т. д. Пресноводные экосистемы включают стоячие воды, текущие воды, заболоченные угодья; морские эко­системы включают: открытый океан, прибрежные воды, глу­боководные зоны и т. д.

Экосистемы – основной объект изучения экологии (синэкология). Синэкология рассматривает состав и структуру сообществ, а также закономерности их функционирования. Главная теоретическая и практическая задача синэкологии заключается в том, чтобы не только вскрыть закономерно­сти функционирования экосистем, но и научиться управ­лять ими в условиях все возрастающего влияния человека на окружающую природную среду.

Экологические пирамиды. Функциональные взаимосвязи, т. е. трофическую структуру, можно изобразить графически, в виде так называемых экологических пи­рамид. Основанием пирамиды служит уровень продуцентов, а последующие уровни питания образуют этажи и вершину пирамиды.

Известны три основных типа экологических пирамид:

1) пирамида чисел, отражающая численность организмов на каждом уровне (пира­мида Элтона);

2) пирамида биомассы, характеризующая массу живого вещества – общий сухой вес, калорийность и т. д.;

3) пирамида про­дукции (или энергии), имеющая универсальный характер, показываю­щая изменение первичной продукции (или энергии) на последова­тельных трофических уровнях.

Пирамида чисел отображает отчетливую закономерность, обнару­женную Ч. Элтоном: количество особей, составляющих последователь­ный ряд звеньев от продуцентов к консументам, неуклонно уменьша­ется (рис. 2.1). В основе этой закономерности лежит, во-первых, тот факт, что для уравновешивания массы большого тела необходимо мно­го маленьких тел; во-вторых, от низших трофических уровней к выс­шим теряется количество энергии (от каждого уровня до предыдущего доходит лишь 10% энергии) и в-третьих – обратная зависимость мета­болизма от размера особей (чем мельче организм, тем интенсивнее об­мен веществ, тем выше скорость роста их численности и биомассы).

Однако пирамиды численности будут сильно различаться по форме в разных экосистемах, поэтому численность лучше приводить в табличной форме, а вот биомассу – в графической. Она четко ука­зывает на количество всего живого вещества на данном трофическом уровне, например, в единицах массы на единицу площади – г/м² или на объем – г/м³ и т. д.

Рис. 2.1. Упрощенная схема пирамиды Элтона (по Г. А. Новикову, 1979)

Все три правила пирамид отражают энергетиче­ские отношения в экосистеме, а пирамида продукции (энергии) име­ет универсальный характер.

В природе, в стабильных системах, биомасса изменяется незначи­тельно, т. е. природа стремится использовать полностью валовую продукцию. Знание энергетики экосистемы и количественные ее по­казатели позволяют точно учесть возможность изъятия из природной экосистемы того или иного количества растительной и животной биомассы без подрыва ее продуктивности.

В природных экосистемах энергетические потоки также изменя­ются по своей интенсивности и характеру, но этот процесс регулиру­ется действием экологических факторов, что проявляется в динамике экосистемы в целом.

Экологические факторы – любое условие среды, на которое живой организм реагирует приспособительными реакциями. Среди них различают три разные по своей природе группы факторов: абиотические, биотические, антропогенные.

Абиотические факторы подразделяются на климатические, эдафические и антропогенные.

К климатическим факторам относятся:

1. Поступающая от Солнца энергия и периодическая – по времени суток и года – смена освещенности (фотопериодизм). Видимый спектр солнечных лучей (длина волны 0,4-0,76 мкм) нас освещает, инфракрасный (длина волны 0,75 мкм-10³ м) – согревает, а ультрафиолетовый (0,4-0,3 мкм) – кормит, участвуя в фотосинтезе, и, в небольших дозах, оздоровляет. Однако ультрафиолетовые лучи с длиной волны менее 0,3 мкм крайне вредны и даже смертельны для живых организмов.

2. Влажность атмосферного воздуха и количество осадков.

3. Газовый состав атмосферы, в норме состоящий из смеси азота (78,09%), кислорода (20,05%), углекислого газа (0,03%) и других газов, включая озон в верхних слоях. Азот участвует в создании белков, образующих массу тела живых организмов, в которые он попадает в результате деятельности микроорганизмов, способных его усваивать из воздуха и передавать почве и растениям. Кислород входит в состав белков, жиров и углеводов, обеспечивая окисление питательных веществ в клетках, что является источником энергии живых организмов. Углекислый газ участвует в фотосинтезе растений, а также является регулятором солнечного и ответного земного излучения тепловых лучей. Озон является «зонтиком», задерживающим ультрафиолетовые лучи с длиной волны менее 0,3 мкм, смертельные для жизни.

4. Температура.

5. Ветер и атмосферное давление.

К эдафическим факторам относятся почвы различ­ной плодородности, формирующиеся в результате взаимодей­ствия климата, растений, животных и микроорганизмов, и вода различной степени прозрачности, кислотности и наличия ра­створенных газов, особенно кислорода.

Антропогенные факторы – порождены деятельнос­тью человека (изъятие природных ресурсов, изменение ландшафтов, загрязнение природной среды, техногенные и нетехногенные факторы).

Преобладающая часть антропогенных факторов, свя­занная с производством, с применением техники, машин, строительства, носит название техногенных факторов.

К биотическим факторам относится вся совокупность влия­ний жизнедеятельности одних организмов на другие (таблица 2.1).

Таблица 2.1

Взаимодействие между видами

Тип взаимодействия популяций А и Б	Результат взаимодействия
Нейтрализм	Взаимодействие отсутствует
Конкуренция	Одна популяция стремится истребить другую
Мутуализм, симбиоз или сотрудничество	Взаимопомощь
Комменсализм (А – ком­менсал хозяина Б)	Обязательно для А; Б воздействия не испытывает
Аменсализм (А – аменсал, Б – ингибитор)	А подавляется; Б воздействия не испытывает
Паразитизм (А – паразит хозяина Б) или хищничество(А – хищник, Б – жертва)	Обязательно для А; Б подавляется Обязательна для А; Б поедается

Воздей­ствие происходит как внутри видов через половозрастные отно­шения, совместную охоту и защиту от врагов или, наоборот, борьбу за пищу и территорию, так и между видами.

Все перечисленные факторы действуют на живые орга­низмы экосистемы одновременно. При этом организму нужно для нормального существования не про­сто наличие какого-либо условия, например температуры, мине­ральных солей, а строго определенных его максимальных и минимальных значений.

Однако разные организмы обладают разной толерантностью, т. е. степенью устойчивости, величиной выносливости к изме­нениям тех или иных факторов. Одни гибнут при температуре выше 50°С, а другие выдерживают кипячение.

Кроме того, что для нормального развития организмов необ­ходимо наличие различных факторов строго определенного ка­чества, каждый из них должен быть еще и в определенном количестве. В соответствии с законом толерант­ности (закон толерантности Шелфорда) избыток какого-либо вещества может быть так же вреден, как и его недостаток, т. е. все хорошо в меру. Напри­мер, урожай может погибнуть как при засушливом, так и при слишком дождливом лете.

При этом по закону минимума, (Закон минимума Ю.Либиха, 1840 г.) недостаток ка­кого-либо одного вещества не компенсируется избытком всех остальных. Если в почве много азота, калия и других питатель­ных веществ, но не хватает фосфора (или наоборот), растения будут нормально развиваться только до тех пор, пока не усвоят весь фосфор. Факторы, сдерживающие развитие организмов из-за недостатка или их избытка по сравнению с потребностями, называются лимитирующими.

Пренебрежение законами «лимитирующего фактора» (зако­ном минимума и законом толерантности) ведет к двойным по­терям – экологическим и экономическим.

Еще более серьезные последствия может иметь превышение максимально допустимых величин некоторых веществ, так на­зываемых ПДК, в окружающей среде, что ведет к росту забо­леваний и даже гибели людей и других организмов.

Крайние границы выживаемости определяются толерантно­стью, но внутри них каждый вид лучше всего развивается в тех условиях, к которым он адаптирован. Адаптация означает при­способление строения и функционирования организма к боль­шему или меньшему воздействию тех или иных экологических факторов. Соответственно этому отдельные виды расселяются в лесах или полях, в воде или на суше, на юге или на севере.

Вся совокупность жизненных условий, необходимых для существования того или иного вида, а также его роль в биоло­гическом сообществе представляют собой экологическую нишу. Каждый вид занимает свою собственную нишу, отвоеванную у других в ходе конкурентной борьбы. В случае исчезновения вида по каким-либо причинам, его экологическую нишу рано или поздно занимает другой вид, способный выполнять те же обязанности (функции) в сообще­стве, что и исчезнувший вид, т. е. происходит экологи­ческое дублирование.

Одна из причин, позволяющих экосистемам длительное время сохранять постоянный видовой состав, заключается в том, что отношения между всеми их компо­нентами находятся в динамическом равновесии.

Равновесие экосистемы – это равновесие популяций. Стабильность экосистемы предполагает, что численность популяции каждого входящего в нее вида остается более или менее неизменной. Устойчивое увеличение или умень­шение популяции приводит к изменению экосистемы. Ста­бильность популяции означает, что рождаемость и смерт­ность находятся в равновесии, а они зависят от биотичес­кого потенциала и сопротивления среды.

Видовое разнообразие обеспечивает стабильность экосистемы. Высокая плотность одного вида повышает вероятность гибели значительного числа его особей при вспышке численности вредителей, что может привести к гибели экосистемы.

Отсюда следует, что наиболее устойчивой будет экосистема со многими от­носительно малочисленными видами.

Изменение условий воздействует на некоторые виды неблагоприятно: они снижают численность, а иногда и вов­се исчезают из экосистемы. Другие виды от этого могут выиграть, и их численность увеличивается. Изменившиеся условия могут позволить включиться в экосистему новым видам. Процесс вытеснения одних видов другими называет­ся сукцессией. В результате сукцессии происходит посте­пенное превращение одних экосистем в другие.

Различают первичную и вторичную сукцессии.

Первичная сукцессия – процесс развития и смены эко­систем на незаселенных ранее участках, начинающийся с их колонизации (пример: обрастание голой скалы мхом и впоследствии – развитие на ней леса).

Вторичная сукцессия – восстановление экосистемы, когда-то уже существовавшей на данной территории (на­пример, восстановление экосистемы после пожара).

Климаксовая экосистема. Сукцессия завершается ста­дией, когда все виды экосистемы сохраняют относительно постоянную численность и дальнейшей смены ее состава не происходит. Такое равновесное состояние называется кли­максом, а экосистема – климаксовой (пример – Ясеневая роща в Казахстане). Основные биомы Земли – климаксовые экосистемы.

Эко­логические нарушения возникают при вторжении в экосис­тему новых, интродуцированных видов (например, при интродукции кролика в Австралию) или непродуманном воз­действии человека на природу (например, сброс биогенов в водоем). Изменения экосистемы могут быть такими резки­ми, что практически ни один ее исходный компонент не сохраняется. Тогда говорят о гибели данной экосистемы (Аральское море).

Сокращение видового разнообразия и ускоряющееся резкое изменение окружающей среды снижают устойчи­вость биосферы.

Основная литература: 1[261-308], 2[17-66], 3[15-34]; 4[96-116]

Дополнительная литература: 2 [44-52]

Контрольные вопросы:

1. Что понимается под экосистемой?

2. Как отражается трофическая структура экосистем экологическими пирамидами численности? Биомассы? Продукции (энергии)?

3. Что означают такие понятия, как «толерантность», «лимити- рующий фактор», «экологическое дублирование», «экологическая ниша»?

4. В чем сущность закона минимума и, к каким последствиям ведет пренебрежение его требованиями?

Тема лекции 3 – Основные принципы функционирования природных экосистем. Характеристика большого и малого круговоротов. Биогеохимические круговороты основных химических элементов: воды, углерода, азота, кислорода и фосфора.

Характеристика большого и малого круговоротов. Все вещества на нашей планете находятся в процессе круговорота. Солнечная энергия вызывает на Земле два круговорота веществ:

- большой (геологический или абиотический);

- малый (биотический, биогенный или биологический).

Круговороты веществ и потоки космической энергии создают устойчивость биосферы. Круговорот твердого вещества и воды, происходящий в результате действия абиотических факторов (неживой природы), называют большим геологическим круговоротом. При большом геологическом круговороте (протекает миллионы лет) горные породы разрушаются, выветриваются, вещества растворяются и попадают в Мировой океан; протекают геотектонические изменения, опускание материков, поднятие морского дна. Именно большой круговорот поставляет живым организмам элементы питания и во многом определяет условия их существования.

Малый, биогенный или биологический круговорот веществ происходит в твердой, жидкой и газообразных фазах при участии живых организмов. Биологический круговорот в противоположность геологическому требует меньших затрат энергии. Малый круговорот является частью большого, происходит на уровне биогеоценозов (внутри экосистем) и заключается в том, что питательные вещества почвы, вода, углерод аккумулируются в веществе растений, расходуются на построение тела. Продукты распада органического вещества разлагаются до минеральных компонентов. Малый круговорот незамкнут, что связано с поступлением веществ и энергии в экосистему извне и с выходом части их в биосферный круговорот.

В большом и малом круговоротах участвует множество химических элементов и их соединений, но важнейшими из них являются те, которые определяют современный этап развития биосферы, связанный с хозяйственной деятельностью человека. К ним относятся круговороты углерода, серы и азота (их оксиды – главнейшие загрязнители атмосферы), а также фосфора (фосфаты – главный загрязнитель материковых вод). Практически все загрязняющие вещества выступают как вредные, и их относят к группе ксенобиотиков.

Биологический круговорот происходит при участии живых организмов и заключается в воспроизводстве органического вещества из неорганического и разложении этого органического до неорганического посредством пищевой трофической цепи.

Природные экосистемы функционируют в соответствии с тремя основными принципами:

Первый принцип функционирования природных эко­систем – получение ресурсов и избавление от отходов про­исходит в рамках круговорота всех элементов (гармонирует с законом сохранения массы). Круговорот биогенных эле­ментов, обусловленный синтезом и распадом органических веществ в экосистеме, в основе которого лежит реакция фотосинтеза, называют биотическим круговоротом ве­ществ. Кроме биогенных элементов в биотический кругово­рот вовлечены важнейшие для биоты минеральные элемен­ты и множество различных соединений. Поэтому весь цик­лический процесс химических превращений, обусловлен­ных биотой, называют еще биогеохимическим круговоро­том.

Круговорот углерода. Углерод является главным участником биотического круговорота как основа органического вещества. На рис. 3.1 представлена схема круго­ворота углерода в природе.

Рисунок 3.1 Круговорот углерода

Молекулы углекислого газа из воздуха и воды постав­ляют углерод для образования в ходе фотосинтеза глюкозы и других органических веществ, из которых построены все ткани продуцентов. Процесс фотосинтеза можно схематич­но представить уравнением:

6СО₂ + 6Н₂О → С₆ Н₁₂ О₆ + 6О₂.

В дальнейшем эти органические вещества переносятся по пищевым цепям и образуют ткани всех остальных жи­вых организмов экосистемы. Возвращаются в атмосферу ато­мы углерода в процессе клеточного дыхания:

С₆ Н₁₂ О₆ + 6О₂ → 6СО₂ + 6Н₂О + Q

При этом выделяется энергия (Q), которая использует­ся живым организмом для синтеза необходимых ему веществ и выполнения жизненных функций. Особенность круговоро­та углерода состоит в том, что в далекие геологические эпохи (сотни миллионов лет назад) значительная часть фотосинтезируемого органического вещества не использова­лась фитофагами, а постепенно погребалась под различны­ми минеральными осадками. Находясь в земле миллионы лет, этот детрит под действием высоких температур и дав­ления превратился в нефть, природный газ, уголь в зави­симости от условий и продолжительности воздействия.

В настоящее время в огромных количествах добывается это ископаемое топливо, сжигаем его и завершаем круговорот углерода. Но одновременно резко возрастает концентра­ция СО₂ в воздухе: его поступление существенно превы­шает возможности растений поглощать его. Это обстоятель­ство чревато серьезными климатическими последствиями (парниковый эффект).

Круговорот азота. Круговорот азота несколько сложнее, так как включа­ет газовую и твердую фазу (рис. 3.2). Основная часть азота содер­жится в воздухе (N₂) – 78%. Большинство растений не могут усваивать его непосредственно из воздуха. Для усвое­ния азот должен входить в состав ионов аммония (NH₄⁺) или нитрата (NO₃^-).

Рисунок 3.2 Круговорот азота

Некоторые азотофиксирующие бакте­рии, живущие в клубнях бобовых растений, клевера, синезеленых водорослей и др., могут превращать атмосферный азот в аммонийный (пример мутуализма: растения дают пищу бактериям, а последние обеспечивают растения азо­том).

По пищевым цепям органический азот передается от бобовых другим организмам экосистемы. Когда в процессе клеточного дыхания белки и другие азотосодержащие орга­нические соединения расщепляются, азот выделяется в ок­ружающую среду главным образом в аммонийной форме. Некоторые бактерии могут переводить аммонийный азот в нитратный (процесс нитрификации).

В результате азот со­вершает круговорот как минеральный биоген. Однако такая минерализация обратима, поскольку другие почвенные бактерии могут превращать ионы NH₄⁺ и NO₃^- – в N₂. Часть N₂ окисляется во время грозовых разрядов (N + О₂ → 2NO; 2NO + О₂ → 2NО₂) и поступает в почву вместе с дождевой водой. Но по этому механизму азота фиксируется в 10 раз меньше, чем с помощью бактерий.

Следовательно, все естественные экосистемы зависят от азотофиксирующих организмов. Это семейство включа­ет огромное количество растений – от клевера до тропи­ческих деревьев и пустынных кустарников. Для каждой круп­ной наземной экосистемы есть характерные для нее виды клубеньковых.

В водных экосистемах круговорот азота выг­лядит подобным образом. Для водных систем в роли азотофиксирующих растений выступают синезеленые водорос­ли.

Круговорот фосфора. Фосфор входит в состав генов и АТФ, выполняющих функцию переносчиков энергии внутри клетки. В минералах фосфор содержится в виде фосфатов (РО₄^3-), многие из которых растворимы в воде, но не летучи. Растения по­глощают РО₄^3- из водного раствора и включают его в со­став различных органических соединений (органический фос­фор, его содержание в растениях – 0,1+0,015%). По пище­вым цепям фосфор от растений переходит ко всем прочим организмам экосистемы (в живых организмах фосфора со­держится от 0,1 до нескольких процентов). Из воды фос­фор поглощается фитопланктоном, а затем по пищевым цепям другими обитателями воды (рыбы богаты фосфором). Но и здесь есть вероятность окисления фосфорсодержащего органического соединения в процессе клеточного дыха­ния для получения энергии. Тогда фосфор в виде мочи или ее аналога вновь поступает в окружающую среду, после чего снова может поглощаться растениями и начинать новый цикл.

В отличие от углерода фосфор не дает газовой фазы и, следовательно, свободного возврата в экосистему нет (про­исходит обеднение почвы фосфором в агроэкосистемах, где осуществляется вынос фосфора вместе с урожаем) (рис. 3.3).

Подобные круговороты характерны и для других биогенов (воды, кислорода, серы, кальция и др.).

Рисунок 3.3 Круговорот фосфора

Второй принцип функционирования природных экоси­стем: они существуют за счет не загрязняющей среды и практически вечной солнечной энергии, количество которой относительно постоянно и избыточно.

Биосфера существует за счет энергии Солнца, которая фотосинтезирующими растениями превращается в потенциальную энергию химических связей органических соеди­нений растений, а затем по пищевым цепям – в другие формы энергии (в частности, аккумулируется в АТФ кле­ток).

На каждом трофическом уровне часть потенциальной энергии, высвобождаясь, позволяет организму выполнять свои жизненные функции, т. е. "работать", и параллельно теряется в виде тепла.

Таким образом, речь идет о потоке энергии, идущем через экосистемы: ее поступление в них с солнечными лучами, выполнение работы и удаление в виде тепла.

Источником солнечной энергии являются ядерные ре­акции, идущие в недрах Солнца. Эта энергия первоначаль­но загрязнена радиоактивными частицами, но в процессе прохождения 150 млн км до Земли радиоактивные частицы теряются, и на Земле солнечная энергия – "чистая". В этом ее отличие от энергии, получаемой от сжигания топлива (угля, газа), и ядерной энергии.

Количество солнечной энергии избыточно: растения используют всего 0,5% ее количества, достигающего Зем­ли. Поэтому увеличение количества ее использования не должно повлиять на динамику биосферы.

Третий принцип функционирования природных экоси­стем – снижение биомассы при переходе на более высо­кий трофический уровень. С повышением трофического уровня биомасса снижается в 10 раз и более, поскольку: 1) существенная доля биомассы предыдущего трофическо­го уровня не усваивается и возвращается в экосистему в виде экскрементов; 2) большая часть переваренной пищи (80 – 90%) расходуется на выработку энергии для осуществ­ления организмом жизненных функций. Отсюда понятно, почему биомасса первичных консументов во много раз мень­ше биомассы продуцентов. То же наблюдается на более высоких трофических уровнях.

Из сказанного следует, что чем больше биомасса по­пуляции, тем должен быть ниже ее трофический уровень.

Таким образом, в природных экосистемах осуществля­ются три основных принципа: происходит круговорот био­генов, экосистемы существуют за счет не загрязняющей среду и практически вечной солнечной энергии, количество которой относительно постоянно и избыточно; на концах длинных пищевых цепей не может быть большой биомассы.

Экологические проблемы современности связаны с тем, что человечество нарушает указанные принципы: не про­исходит полного возвращения биогенов в экосистему; ис­пользуется энергия топлива, приводящая к загрязнению окружающей среды; человечество относится в основном к третьему трофическому уровню, и его численность не дол­жна быть чрезвычайно высокой.

Основная литература: 1 [323 – 342], 2 [108 – 127], 3 [133 – 140]

Дополнительная литература: 1 [39-46], 2 [56-60]

Контрольные вопросы:

1. Как происходит большой круговорот веществ и воды в природе?

2. Как и какие важнейшие функции живого вещества обеспе­чиваются посредством малого круговорота веществ в при­роде?

3. Из каких частей состоит биогеохимический круговорот веществ?

4. В чем особенности биогеохимических циклов основных биогенных элементов?

Тема лекции 4 – Биосфера и биосферно-ноосферная концепция В.И.Вернадского. Учение В.И.Вернадского о биосфере. Состав и границы биосферы. Живое вещество биосферы и его функции. Основные свойства биосферы. Ноосфера – сфера разума.

Впервые термин «биосфера» (от греч. bios – жизнь, sphaira – сфера, оболочка) появился в 1875 г. в трудах австрийского геолога Э. Зюсса. Современное учение о биосфере создал выдающийся русский ученый В. И. Вернадский (1863 – 1945), основные положения которого были опубликованы в 1926 г. в книге «Биосфера».

Учение В. И. Вернадского о биосфере – это целостное фундамен­тальное учение, органично связанное с важнейшими проблемами со­хранения и развития жизни на Земле, знаменующее собой принципи­ально новый подход к изучению планеты как развивающейся саморе­гулирующейся системы в прошлом, настоящем и будущем.

По представлениям В. И. Вернадского, биосфера включает живое вещество (т. е. все живые организмы), биогенное (уголь, известняки, нефть и др.), косное (в его образовании живое не участвует, например, магматические горные породы), биокосное (создается с помощью жи­вых организмов), а также радиоактивное вещество, вещество космиче­ского происхождения (метеориты и др.) и рассеянные атомы (отдельные атомы элементов, встречающиеся в природе в рассеянном состоянии (микро-ультра-микроэлементы: Mn, Co, Zn, Cu, Hg и др.).

Все эти семь различных типов веществ геологически связаны между собой.

Сущность учения В. И. Вернадского заключена в признании ис­ключительной роли «живого вещества», преобразующего облик планеты. Для понимания той работы, которую со­вершает живое вещество в биосфере, очень важными являются три основных положения, которые Вернадский назвал биогео­химическими принципами.

I принцип: биогенная миграция атомов химических элементов в биосфере всегда стремится к максимальному своему проявлению. Прогрессивная эволюция любой экосистемы ведет к увеличе­нию суммарного потока энергии через нее. Эта закономер­ность проявляется в способности живого к распространению, развитию, во "всюдности жизни" (выражение В.И. Вернадского).

II принцип: эволюция видов в ходе геологического времени, приво­дящая к созданию устойчивых в биосфере форм жизни, идет в на­правлении, усиливающем биогенную миграцию атомов. Согласно этому принципу преимущества в ходе эволюции получают те организмы, которые приобрели способность усваивать новые формы энергии или "научились" полнее использовать химиче­скую энергию, запасенную в других организмах.

III принцип: живое вещество находится в непрерывном химиче­ском обмене с космической средой, его окружающей, и создается и поддерживается на нашей планете космической энергией Солн­ца. Этот принцип очень важен для понимания тех процессов, которые обычно называют самоорганизацией биологических структур.

Живое вещество биосферы и его функции. Вся масса «живого вещества» Земли составля­ет ее биомассу. Это лишь 0,25 % всего вещества биосферы» однако, благодаря обмену веществ «жи­вое вещество» играет ведущую роль в биогеохи­мических процессах. Деятельность живых орга­низмов обуславливает химический состав атмос­феры и гидросферы, формирование почвенного покрова литосферы. Живое вещество играет ог­ромную роль в круговороте веществ в природе и осуществляет важнейшие биогеохимические фун­кции:

• газовая функция заключается в поглощении растениями двуокиси углерода и выделении кис­лорода, в восстановлении азота, сероводорода и пр., то есть в поддержании газового состава атмосферы;

• концентрационная функция заключается в поглощении и накоплении живыми организмами углерода, азота, водорода, кислорода, фосфора, серы, йода, железа и пр. элементов. На местах массовой гибели животных и растений обнаруживаются отложения мела, известняка, нефти, угля и дру­гих полезных ископаемых;

• окислительно-восстановительная функция заключается в восстановлении и окислении раз­личных веществ в живых организмах, например, восстановлении двуокиси углерода до углеводов в процессе фотосинтеза и окислении их до С0₂ при дыхании:

фотосинтез дыхание

С0₂ ► углеводы ► С0₂

восстановление окисление

• круговорот веществ в природе, который осу­ществляется при участии всех организмов биосфе­ры. Он заключается в циркуляции веществ меж­ду почвой, атмосферой, гидросферой и живыми орга­низмами. Благодаря ему возможно длительное существование и развитие жизни при ограничен­ном запасе элементов в природе. Около 40 элемен­тов вовлекаются в круговорот. Одновременно с круговоротом веществ идет и круговорот энергии, основным источником которой является Солнце.

Таким образом, биосфера представляет собой сложную экологическую систему, стабильность которой обусловлена тем, что результаты деятель­ности продуцентов, консументов и редуцентов уравновешиваются.

Деятельность человека превратилась в мощный экологический фактор, нарушивший равновесие в биосфере. В результате деятельности человека (извлечение полезных ископаемых, использова­ние синтетических продуктов, синтетических ядохимикатов, нетрадиционных источников энер­гии и пр.) нарушается биотический круговорот, он становится незамкнутым. За последние 300 лет существования человека биомасса земли умень­шилась почти на четверть.

Состав и границы биосферы. Биосфера, являясь глобальной экосистемой (экосферой), как и любая экосистема, состоит из абиотической и биотиче­ской части.

Абиотическая часть представлена: 1) почвой и подстилаю­щими ее породами до глубины, где в них еще есть живые орга­низмы, вступающие в обмен с веществом этих пород и физи­ческой средой порового пространства; 2) атмосферным возду­хом до высот, на которых возможны еще проявления жизни; 3) водной средой океанов, рек, озер и т. п.

Биотическая часть состоит из живых организмов всех так­сонов, осуществляющих важнейшую функцию биосферы, без которой не может существовать сама жизнь: биогенный ток атомов. Живые организмы осуществляют этот ток атомов бла­годаря своему дыханию, питанию и размножению, обеспечи­вая обмен веществом между всеми частями биосферы.

К биосфере относят, прежде всего, те участки, где есть условия не только для выживания, но и для размножения живых существ, – это поле существова­ния жизни, которое обеспечивают 5 условий: 1) достаточное количество кислорода и углекислого газа; 2) достаточное количество жидкой воды; 3) благоприятные температуры среды; 4) прожиточный минимум минеральных веществ; 5) соленость среды.

Таким образом, согласно современным представлениям биосфера – это своеобразная оболочка Земли, содержащая всю совокупность живых организмов и ту часть вещества планеты, которая находится в непрерывном обмене с этими организмами. Биосфера включает в себя нижнюю часть атмосферы до озонового экрана, всю гидросферу и верхнюю литосферу до глубины 6 – 12 км (обнаружены микроорганизмы).

Ниже литосферной границы биосферы лежит “область былых биосфер”, под которой В.И.Вернадский понимал оболочку Земли, в геологическом прошлом подвергшуюся воздействию жизни. Каменный уголь, нефть, мрамор, доломит, известняк, мел, железная руда и другие горные породы осадочного происхождения – свидетели существования жизни в “былых биосферах”.

Ноосфера – сфера разума. В результате техногенной деятельности человечества биосфера Земли коренным образом преобразуется и согласно учению В.И. Вернадского человече­ство вступает в ноосферу – сферу человеческого разума, сферу разумной жизни человека, которая охватывает и космическое пространство.

Ноосфера («мыслящая оболочка», сфера разума) – высшая ста­дия развития биосферы. Это сфера взаимодействия природы и обще­ства, в пределах которой разумная человеческая деятельность стано­вится главным, определяющим фактором развития.

Ноосфе­ра является новым этапом в развитии биосферы, предполагающим разумное регулирование отно­шений между человеком и природой.

Непреходящая ценность учения В. И. Вернадского о ноосфере именно в том, что он выявил геологическую роль жизни, живого вещества в планетарных процессах, в создании и развитии биосферы и всего разнообразия живых существ в ней.

Среди этих существ он выделил человека как мощную геологическую силу. Эта сила способна оказывать влияние на ход биогеохимических и других процессов в охвачен­ной ее воздействием среде Земли и околоземном пространстве (по­ка «ближний» космос). Вся эта среда весьма существенно изменя­ется человеком, благодаря его труду. Он способен перестроить ее согласно своим представлениям и потребностям, изменить факти­чески ту биосферу, которая складывалась в течение всей геологиче­ской истории Земли.

Воздействие человеческого общества, как единого целого, на природу по своему характеру резко отличается от воздействий других форм живого вещества. В. И. Вернадский писал: «Раньше организмы влияли на историю тех атомов, которые были нужны им для роста, размножения, питания, дыхания. Человек расширил этот круг, влияя на элементы, нужные для техники и создания цивилизованных форм Жизни», что и изменило «вечный бег геохимических циклов».

Основные условия устойчивости, стабильности биосферы. Стабильность биосферы основывается на высоком разнообразии живых организмов, отдельные группы которых выполняют различные функции в поддержа­нии общего потока вещества и распределении энер­гии биогенных и абиогенных процессов, на согласо­ванности циклов отдельных элементов и уравновеши­вании емкости отдельных резервуаров. В биосфере дей­ствуют сложные системы обратных связей и зависи­мостей.

Стабильность биосферы обусловлена тем, что резуль­таты активности трех групп организмов, выполняю­щих разные функции в биотическом круговороте – продуцентов (автотрофов), потребителей (гетеротрофов) и деструкторов (минерализующих органические остат­ки) – взаимоуравновешиваются.

Человеческое общество, используя не только энер­гетические ресурсы биосферы, но и небиосферные ис­точники энергии (например, ядерной), ускоряет гео­химические преобразования на планете, вмешивает­ся в ход биосферных процессов. Некоторые процес­сы, вызванные деятельностью человека, имеют про­тивоположную направленность по отношению к есте­ственным процессам (рассеивание руд металлов, уг­лерода и других биогенных элементов, торможение минерализации и гумификации, освобождение угле­рода и его окисление, нарушение в атмосфере гло­бальных процессов, влияющих на климат, и т. д.).

В соответствии с этим, одной из основных задач современной экологии является изучение регуляторных процессов в биосфере, создание научного фунда­мента ее рационального использования, поддержания ее стабильности.

Основная литература: 1 [372 – 390], 2 [89 – 107], 3 [122 – 132]

Дополнительная литература: 1 [27-35,67-72]

Контрольные вопросы:

1. Что такое биосфера и чем она отличается от других обо­лочек Земли?

2. Из чего состоят абиотическая и биотическая части био­сферы как глобальной экосистемы (экосферы)?

3. Что понимал В. И. Вернадский под живым веществом и какие биохимические принципы лежат в основе биогенной миграции?

4. Что такое ноосфера и когда можно будет говорить о ее дости­жении?

5. Чем обусловлена целостность биосферы? Сформулируйте закон целостности биосферы.

Тема лекции 5 – Концепция Устойчивого развития и охрана природы. История возникновения понятия «устойчивое развитие». Стратегии и принципы устойчивого развития. Международное сотрудничество по обеспечению устойчивого развития.

В условиях глобального экологического кризиса достигнуть необходимого равновесия между экономикой, обществом и окружающей средой воз­можно лишь при формировании новой экологически безо­пасной и экономически оптимальной модели развития. Та­кой моделью, признанной мировым сообществом, является устойчивое развитие. Концепция устойчивого развития вошла в природоохранный лексикон после Конференции ООН по окружающей среде и развитию (ОСР) в Рио-де-Жанейро (1992), на которой встретились главы и высокопоставленные лица 179 правительств.

В литературе встречаются более 60 определений устой­чивого развития. Наиболее распространено из них определе­ние, данное в докладе премьер-министра Норвегии Гру Харлем Брундланд на Конференции ООН, со­гласно которому устойчивое развитие рассматривается как «модель движения вперед, при котором достигается удов­летворение жизненных потребностей нынешнего поколения без лишения такой возможности будущих поколений. В ши­роком смысле стратегия устойчивого развития направлена на достижение гармонии между людьми (друг с другом) и между Обществом и Природой».

Устойчивое развитие – под таким лозунгом проходила конференция ОСР. Необходим поиск новой модели развития цивилизации, обозначенной как устойчивое развитие.

Модель предполагает прогресс и продвижение вперед, при котором удовлетворение потребностей нынешнего поколения должно происходить, без лишения такой возможности будущих поколений. Цель может быть достигнута при условии решений социально-экономических и экологических задач.

Устойчивое развитие подразумевает:

1. право людей на здоровую и плодотворную жизнь в гармонии с природой;

2. охрану окружающей среды как неотъемлемую часть процесса развития;

3. удовлетворение потребностей в благоприятной окружающей среде как нынешнего, так и будущего поколений;

4. уменьшение разрыва в уровне жизни между народами мира, а также между бедными и богатыми в каждой стране;

5. совершенствование природоохранного законодательства;

6. исключение моделей развития производства и потребления, не способствующих устойчивому развитию.

Были приняты три согласованных основополагающих документа, имеющих историческое значение:

1. Декларация РИО по окружающей среде и развитию;

2. Заявление о принципах глобального консенсуса по управлению, сохранению и устойчивому развитию всех видов лесов;

3. Повестка дня на ХХ1 век, или Повестка 21.

Параллельно были подготовлены две конвенции: Рамочная конвенция об изменении климата; Конвенция о биологическом разнообразии.

Государства несут общую, но не одинаковую ответственность за деградацию природной среды. Подчеркивалась необходимость широкого международного сотрудничества в области науки, использования результатов научных исследований и распространения новых технологий.

Программа ХХI является суперпрограммой, ориентированной на подготовку мирового сообщества к решению проблемы, с которыми цивилизация столкнулась на пороге ХХ1 века. На повестке дня – человечество переживает решающий момент в истории: противоречия между уровнем развития цивилизации и природой достигли предела.

Документ объемом более 500 страниц, содержит 4 раздела, включающие 40 глав.

1. Первый раздел посвящен борьбе с нищетой, изменению структуры потребления, динамике роста населения, охране здоровья человека и др.

2. Второй раздел о сохранении и рациональном использовании ресурсов: защите атмосферы; использовании земельных ресурсов; борьбе с обезлесиванием, опустыниванием и засухой; сохранении биологического разнообразия; безопасном использовании биотехнологий; защите морей; сохранении качества пресной воды; надежном обращении токсичных, радиоактивных отходах; очистке сточных вод и др.

3. Третий раздел рассматривает вопросы усиления роли основных групп населения в реализации целей программы ХХ1 века – женщин, молодежи, детей, коренных народов, неправительственных организаций, профсоюзов, деловых людей в промышленности и технических кругах, ученых.

4. Четвертый раздел содержит предложения о средствах, необходимых для осуществления программы: финансовых ресурсах и механизмах; развитии экологически безопасных технологий; развитии науки; просвещении населения и подготовке кадров; помощи развивающимся странам; международных организационных механизмах и правовых документах, информационных системах.

В концепции перехода Республики Казахстан к устойчивому развитию подчеркнута его необходимость и возможность.

Важнейшим инструментом поиска собственной модели развития Казахстана является стратегическое планирование. Стратегические планы республики являются гибким инструментом государственного регулирования социально-экономического развития страны, имеющим этапность реализации на долгосрочную и среднесрочную перспективу; планы периодически корректируются с учетом складывающейся обстановки.

В статье 4 Экологического кодекса РК (2007 г.) говорится, что экологическими основами устойчивого развития Республики Казахстан также являются:

… 3) обеспечение и реализация права Республики Казахстан на разработку своих природных ресурсов и отстаивание национальных интересов в вопросах использования природных ресурсов и воздействия на окружающую среду;

5) развитие устойчивых моделей производства и потребления;

7) соблюдение права каждого человека на доступ к экологической информации и всестороннее участие общественности в решении вопросов охраны окружающей среды и устойчивого развития;

8) обеспечение гласности принимаемых мер в области охраны окружающей среды;

11) сдерживание, предотвращение переноса и перевода в другие государства любых видов деятельности и веществ, которые наносят серьезный ущерб окружающей среде или считаются вредными для здоровья человека, а также принятие мер предосторожности в случаях, когда существует угроза серьезного или необратимого ущерба окружающей среде.

В Долгосрочной Стратегии развития Казахстана до 2030 года (1997) четко обозначены принципы, цели и приоритеты и методы их достижения, намечены дальнейшие пути по развитию законодательной базы, реального гражданского общества и политической культуры населения.

Исходя из приоритетов Стратегии «Казахстан-2030» в соответствии со Стратегическим планом развития Республики Казахстан до 2010 года и с учетом основных положений Повестки дня на XXI век и принципов Рио-де-Жанейрской декларации по окружающей среде и развитию 1992 года, а также решений Всемирного саммита по устойчивому развитию в г. Йоханнесбурге (2002 год) разработана Концепция экологической безопасности.

Обеспечение оптимального уровня экологической безопасности с достижением нормативных показателей состояния окружающей среды предполагает поэтапную реализацию положений данной Концепции.

Первый этап (2004–2007 годы) – снижение уровня загрязнения окружающей среды и выработка плана действий по его стабилизации.

Второй этап (2008–2010 годы) – стабилизация показателей качества окружающей среды и совершенствование экологических требований к природопользованию.

Третий этап (2011–2015 годы) – улучшение качества окружающей среды и достижение благоприятного уровня экологически устойчивого развития общества.

Целью государственной политики в области экологической безопасности является обеспечение защищенности природных систем, жизненно важных интересов общества и прав личности от угроз, возникающих в результате антропогенных и природных воздействий на окружающую среду.

Для достижения данной цели необходимо решить следующие задачи: снижение антропогенного воздействия, ведущего к изменению климата и разрушению озонового слоя Земли; сохранение биоразнообразия и предотвращение опустынивания и деградации земель; реабилитация зон экологического бедствия, полигонов военно-космического и испытательного комплексов; предупреждение загрязнения шельфа Каспийского моря; предупреждение истощения и загрязнения водных ресурсов; ликвидация и предотвращение исторических загрязнений, загрязнения воздушного бассейна, радиоактивного, бактериологического и химического загрязнений, в том числе трансграничного; сокращение объемов накопления промышленных и бытовых отходов; предупреждение чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера.

Решение поставленных задач достигается путем: совершенствования и систематизации законодательства Республики Казахстан, экономических механизмов природопользования, государственного экологического контроля и экологического мониторинга; оптимизации разрешительной системы природопользования и экологической экспертизы; развития научно-исследовательских работ в области охраны окружающей среды, экологической статистики, экологического образования, экологической пропаганды и участия общественности; расширения международного сотрудничества.

Экологически безопасное развитие государства базируется на следующих принципах:

- экосистемный подход к регулированию всех общественных отношений для устойчивого развития государства путем внедрения научно обоснованного комплекса ограничений, нормативов и правил ведения хозяйственной и иной деятельности, определяющих экологически допустимые пределы использования природных ресурсов и обеспечивающих сбалансированное управление качеством окружающей среды;

- подчиненность региональных и локальных задач экологической безопасности глобальным и национальным целям предупреждения экологических угроз;

- обязательность компенсации нанесенного ущерба окружающей среде и здоровью человека (платят природопользователи и загрязнители);

- эколого-экономическая сбалансированность развития и размещения производственных сил (принципы экологической емкости и территориального планирования);

- обязательность оценки воздействия хозяйственной и иной деятельности на окружающую среду с последующими экологической и санитарно-эпидемиологической экспертизами;

- обеспечение доступа населения к экологической информации и его участия в решении экологических проблем;

- партнерство в международном сотрудничестве и соблюдение норм международного права.

Целью стратегии 2030 является построение независимого, процветающего и политически стабильного Казахстана.

Для управления процессом перехода устойчивого развития необходимо контролировать и ориентироваться на:

1. качество жизни (показатели качества жизни – здоровье и продолжительность жизни людей, состояние окружающей среды, уровень образования, доход и т.д.);

2. экономическое развитие (показатели – удельное потребление ресурсов и энергии, удельное образование отходов и др.);

3. экологическое благополучие (показатели – состояние окружающей среды, природных ресурсов, экосистем и др.).

Достигнуть устойчивого развития можно лишь после решения беспрецедентных по масштабу социальных, экономических и экологических задач.

Этапы перехода Казахстана к устойчивому развитию будут зависеть от эффективности международного сотрудничества.

Основная литература: 2 [375 – 390], 3 [474 – 477]

Дополнительная литература: 1 [286-289]

Контрольные вопросы:

1. Дайте определение УР. Кто и когда ввел это определение?

2. Назовите принципы устойчивого развития.

3. В чем суть концепции устойчивого развития?

4. Каковы основные направления перехода Казахстана к УР?

5. В чем смысл модели устойчивого развития общества?

Тема лекции 6 – Природные ресурсы и рациональное природопользование как один из аспектов устойчивого развития. Природные ресурсы и их классификация. Природопользование и проблемы использования природных ресурсов. Основные направления рационального природопользования.

Природные ресурсы и их классификация.

Природные ресурсы – это тела и силы природы, которые на данном этапе развития производительных сил общества могут быть использованы в качестве предметов потребления или средств производства, и общественная полезность которых изменяется (прямо или косвенно) под воздействием деятельности человека.

Основными компонентами окружающей среды являются естественные экологические системы: земля, ее недра, поверхностные и подземные воды, атмосферный воздух, животный мир, природные заповедники и национальные парки – все, что принято называть природной окружающей средой.

Главные виды природных ресурсов – солнечная энергия, внутриземное тепло, водные ресурсы, земельные, минеральные, лесные, рыбные, растительные, ресурсы животного мира и др.

Основными компонентами природных ресурсов являются: водные, земельные, лесные, минеральные, энергетические, биологические ресурсы.

Существуют разные подходы к классификации природных ресурсов.

Первым признаком классификации природных ресурсов яв­ляется их вид. Согласно этому признаку они подразделяются на природные явления (например, солнечная энергия, ветер, приливы и отливы океана), животный мир, растительный мир, природные вещества (вода, воздух, почва) и полезные ископа­емые (например, нефть, золото, руды). Причем полезные ис­копаемые могут быть готовыми к потреблению (уголь, драго­ценные и отделочные камни, соль) и требующими переработ­ки, синтеза (нефть, руда, синтетические удобрения).

Вторым признаком классификации природных ресурсов является их исчерпаемость. По этому признаку их класси­фицируют как исчерпаемые и неисчерпаемые.

Неисчерпаемые природные ресурсы – природные фи­зические явления и тела, количество и качество которых практически не меняется или меняется лишь неощутимо в процессе длительного природопользования. Такими ресурса­ми являются солнечная энергия, ветровая энергия, энергия движущейся воды, энергия земных недр. Вода и воздух ок­ружающей среды по количеству практически не изменяют­ся, но могут качественно ухудшаться в результате деятель­ности человека. Эти природные ресурсы могут стать неис­черпаемыми с помощью современной техники и технологии (водо-, пыле-, газоочистки, а также санитарно-гигиеничес­ких работ).

Исчерпаемые природные ресурсы – природные физи­ческие тела и явления, количество и качество которых су­щественно изменяются в процессе длительного природополь­зования.

Третий признак классификации – возобновимость исчерпаемых ресурсов. По этому признаку выделяют следую­щие исчерпаемые ресурсы:

• возобновимые – способные к самовоспроизводству (ра­стительный и животный мир, мир микроорганизмов);

• невозобновимые – образовавшиеся в недрах земли в течение миллионов лет (рудные и нерудные полезные иско­паемые, длительное пользование которыми приводит к ис­тощению их запасов, пополнение которых практически не­возможно);

• относительно возобновимые – способные к воспро­изводству в темпах, отстающих от темпов потребления (чер­нозем, деревья большого возраста – секвойя, баобаб, сло­новое дерево и др.).

Классификация природных ре­сурсов представлена на рисунке 7.1

Рисунок 7.1 Классификация природных ресурсов

Природно-ресурсный потенциал – часть природных ресурсов Земли и ближайшего космоса, которая может быть реально вовлечена в хозяйственную деятельность при данных технических и социально-экономических возможностях общества с условиями сохранения среды жизни человечества. Экономически оцененный природно-ресурсный потенциал в рамках государства входит в состав национального богатства страны.

Природный капитал – запасы, состоящие из жизнеподдерживающих систем (систем жизнеобеспечения), биоразнообразия, возобновимых и невозобновимых ресурсов, используемых человеком или представляющих для него интерес. Природный капитал включает запасы природных активов, таких как почва и леса, животный мир и водные ресурсы, биологические виды, ландшафт.

Природопользование и проблемы использования природных ресурсов. Природопользование – это использование человеком в целях своего жизнеобеспечения веществ и свойств окружаю­щей среды. Природопользование человека проявляется в че­тырех формах: жизнеобеспечивающей, хозяйственно-эконо­мической, оздоровительной и культурной.

Формы природопользования осуществляются в двух ви­дах: общего и специального природопользования.

Общее природопользование не требует специального раз­решения (пользование водой, воздухом). Специальное природопользование осуществляется физи­ческими и юридическими лицами на основе разрешения упол­номоченных государственных органов.

Рациональное природопользование отличается следующи­ми особенностями:

• использование природных ресурсов должно сопровож­даться их восстановлением (для возобновляемых природных ресурсов);

• комплексное использование природных ресурсов;

• вторичное использование природных ресурсов;

• проведение природоохранных мероприятий;

• внедрение новейших технологий с целью снижения ант­ропогенной нагрузки на окружающую природную среду.

Экологические последствия использования природных ресурсов могут быть как позитивными, так и негативными. К позитивным последствиям относят создание готовой продукции, полуфабрикатов, электрической и тепловой энергии и др. К негативным последствиям относятся: 1) загрязнение природной среды; 2) истощение природных ресурсов; 3) нарушение структуры естественных ландшафтов; 4) сокращение биоразнообразия; 5) антропогенное обезлесение и опустынивание.

Загрязнение природной среды – процесс привнесения в среду или возникновение в ней новых обычно не характерных для нее физических, химических, биологических агентов или превышение в рассматриваемое время естественного среднемноголетнего уровня концентрации названных выше агентов в среде, приводящих к негативным последствиям.

Загрязнение может быть природным и антропогенным. По видам загрязняющих агентов различают физическое (тепловое, радиоактивное, шумовое, электромагнитное, световое и др.), химическое ((тяжелые металлы, пестициды, СПАВ, пластмассы, аэрозоли, детергенты и др.) и биологическое или микробиологическое (патогенные микроорганизмы, продукты генной инженерии и др.).

По масштабам загрязнение может быть глобальным, региональным, локальным. По объектам загрязнения различают загрязнение атмосферы, поверхностных и подземных вод, почв, загрязнение околоземного пространства и т. д.

На основе применения системного подхода выделены следующие виды загрязнения:

1. Ингредиентное загрязнение – совокупность веществ, количественно или качественно чуждых естественным биогеоценозам (бытовые стоки, ядохимикаты, минеральные удобрения и др.);

2. Параметрическое загрязнение – изменение качественных параметров окружающей природной среды (шумовое, тепловое, световое, радиационное, электромагнитное);

3. Биоценотическое загрязнение – воздействия, вызывающие нарушение в составе и структуре популяций живых организмов (перепромысел, направленная интродукция, и акклиматизация видов и т. д.);

4. Стациально-деструкционное загрязнение – воздействие, приводящее к нарушению и преобразованию ландшафтов и экосистем в процессе природопользования (вырубка лесов, эрозия почв, урбанизация, зарегулирование водотоков).

Истощение природных ресурсов – сокращение количества и ухудшение качества природных ресурсов, нередко приводящее к нарушению экологической безопасности и возникновению экологических проблем. Истощение природных ресурсов приводит к удорожанию ресурсов. Особенно опасно истощение энергетических и жизненно важных природных ресурсов (питьевая вода, почвенно-земельные ресурсы).

Нарушение структуры естественных ландшафтов – изменение соотношения естественных и антропогенных ландшафтов, приводящее к нарушению экологической устойчивости природной среды (проявление водной эрозии, дефляции, оползнеобразования, карста, термокарста и др.).

Биологическое разнообразие – совокупность всех форм жизни, населяющей нашу планету, это богатство и многообразие жизни и ее процессов, включающее разнообразие живых организмов и их генетических различий, а также разнообразие мест существования, сообществ, экосистем, в которых организмы существуют. На Земле насчитывается 13 – 14 млн. биологических видов, из которых описаны лишь 1,75 млн.

В настоящее время в связи с антропогенным воздействием скорость сокращения биоразнообразия увеличилась. Сейчас перед угрозой исчезновения находятся 30 тыс. видов животных и растений. Скорость исчезновения видов млекопитающих в этом столетии в 40 раз превышала максимальные скорости, зафиксированные в геологическом прошлом. За последние 400 лет исчезли 484 вида животных и 654 вида растений.

Причинами ускоренного снижения биологического разнообразия являются: 1) быстрый рост народонаселения и экономики. Растущему населению планеты необходимо решить продовольственную проблему и ряд других. Это приводит к увеличению сельскохозяйственных земель и увеличивает количество отходов; 2) рыночная экономика пока не в состоянии оценить истинную ценность современного биоразнообразия. В экономической оценке часто не учитывается значение чистого воздуха и воды; 3) увеличение миграции населения, рост международной торговли и туризма. Специализация отдельных стран на производстве определенных сельскохозяйственных культур ведет к созданию крупных плантаций и снижению производства других местных культур; 4) увеличение объемов загрязняющих веществ, поступающих в среду; 5) интродукция новых видов, сопровождающаяся вытеснением или истреблением местных видов; 6) разрушение местообитаний; 7) браконьерство. Оно ведет, например, к уменьшению ценных видов рыб – осетра, стерляди, сига, омуля, лосося и др.

Основные направления рационального использования и охраны природных ресурсов:

1. Инвентаризация природных ресурсов – полный учет количества и качества ресурсов. В результате инвентаризации создают кадастры и реестры природных ресурсов. Кадастр природных ресурсов – свод экономических, экологических, организационных и технических показателей, который характеризует качество и количество природного ресурса, а также состав и категории природопользователей этого ресурса.

2. Комплексное и экономное расходование сырья на производстве.

3. Внедрение ресурсосберегающих и малоотходных производств.

4. Утилизация и вторичное использование отходов производства и потребления.

5. Совершенствование методов очистки от загрязнителей.

6. Устранение или «смягчение» негативных геоэкологических процессов (оползнеобразование, эрозия, заболачивание, лавинообразование и др.).

Среди природных ресурсов особое место занимают возобновимые природные ресурсы. При должном отношении к ним они способны к самовосстановлению, самоочищению и самовоспроизводству. Поэтому, по отношению к ним должны соблюдаться следующие требования:

1. Изъятие природных ресурсов должно быть в пределах возобновления, т. е. скорость восстановления природного ресурса должна превышать скорость использования;

2. Поддержание экологического равновесия территории т. е. организация особо охраняемых природных территорий;

3. Экологизация ресурсопользования.

Основная литература: 1 [391-392], 2 [194 – 200], 5 [287 – 315]

Дополнительная литература: 1 [103-111], 2 [86-89]

Контрольные вопросы:

1. По какому признаку компоненты окружающей природной среды можно отнести к природным ресурсам?

2. Приведите примеры возобновимых, невозобновимых и относительно возобновимых природных ресурсов.

3. Какие признаки характеризуют рациональное природопользование?

4. Каковы основные принципы классификации природных ресурсов?

5. Объясните причины обострения проблемы ресурсной обеспеченности

населения планеты. Назовите основные пути ее решения.

Тема лекции 7 – Антропогенные факторы возникновения неустойчивости в биосфере. Загрязнение окружающей среды, характеристика и их классификация. Глобальные экологические проблемы современности (изменения климата, разрушение озонового слоя, кислотные дожди, опустынивание, сокращение биоразнообразия, загрязнение Мирового океана и др.), причины их возникновения и последствия.

Главнейшим и наиболее распространенным видом отрицательно­го (негативного) воздействия человека на биосферу является загряз­нение, что привело к обострению глобальной экологической ситуации: потепление, раз­рушение озонового слоя атмосферы, опустынивание. Особенно силь­но загрязнены воздушная и водная среды.

Загрязнением называют поступление в окружающую природную среду любых твердых, жидких и газообразных веществ, микроорганиз­мов или энергий (в виде звуков, шумов, излучений) в количествах вред­ных для здоровья человека, животных, состояния растений и экосистем.

Загрязнение природной среды может возникнуть как в результате воздействия природных, естественных факторов (извержения вулканов, земле­трясения, селевые потоки, бури, ураганы, которые воз­никают без вмешательства человека), так и в результате хозяйственной деятель­ности человека – антропогенное загрязнение.

Примерами антропогенных загрязнений являются аварии и катастрофы на промышленных объектах, с выбросом радиоактивных, химических и биологичес­ких веществ. Однако не менее значительными и опас­ными являются загрязнения, связанные с обычной хо­зяйственной деятельностью, работой предприятий, транспорта, строительством городов, урбанизацией тер­риторий и т. д.

Классификация загрязнений:

1. Механическое – загрязнение среды агентами, ока­зывающими лишь механическое воздействие без физико-химических последствий (мусор).

2. Химическое – изменение химических свойств сре­ды, оказывающих отрицательное воздействие на экосистемы и технологические устройства.

3. Физическое – изменение физических параметров среды: температурно-энергетических (тепловое), волновых (световое, шумовое, электромагнитное и т. п.), например:

• тепловое (термальное) – повышение температуры среды, главным образом в связи с промышленными отходами газов и воды, в меньшей степени – твер­дыми отходами (металлургические шлаки).

• световое – нарушение естественной освещеннос­ти местности в результате действия искусственных источников света (это приводит к аномалиям в жиз­ни растений и животных).

• шумовое – увеличение интенсивности шума сверх природного уровня.

• электромагнитное – изменение электромагнитных свойств среды (от линий элетропередачи, радио и телевидения, работы некоторых промышленных установок и др.) приводит к глобальным и местным геофизическим аномалиям и изменениям в тонких биологических структурах.

4. Радиационное – превышение естественного уров­ня содержания в среде радиоактивных веществ.

5. Биологическое – проникновение в экосистемы и тех­нологические устройства видов животных и расте­ний, чуждых данным сообществам и устройствам, в том числе:

• биотическое – распространение, как правило, не­желательных с точки зрения людей биогенных ве­ществ (выделений, мертвых тел и др.) на террито­рии, где они раньше не наблюдались.

• микробиологическое:

• а) появление необычайно­го количества микроорганизмов, связанное с их мас­совым размножением на антропогенных субстратах или в средах, измененных в ходе хозяйственной де­ятельности человека;

• б) приобретение ранее без­вредной формой микроорганизмов патогенных свойств или способности подавлять другие организ­мы в сообществах.

Объектами загрязнения служат основные компонен­ты экотопа (местообитание биотического существа): ат­мосфера, вода, почва.

Почвенными объектами загрязнения (жертвами за­грязнения) являются составляющие биоценоза – расте­ния, животные, микроорганизмы.

С экологических позиций загрязнение означает не просто внесение в атмосферу, почву или воду тех или иных чуждых им компонентов – в любом случае объек­том загрязнения является элементарная структурная единица биосферы – биогеоценоз, вследствие чего дан­ная экосистема разрушается или снижается ее продук­тивность. Загрязнение среды – сложный многообраз­ный процесс.

Различают загрязнители, разрушаемые биологически­ми процессами и не разрушаемые (стойкие). Первые вхо­дят в естественные круговороты веществ и поэтому быстро исчезают, подвергаясь разрушению биологическими аген­тами. Вторые не входят в естественные круговороты ве­ществ, передаются по пищевым цепям и накапливаются.

Таким образом, с экологических позиций загрязнени­ем окружающей среды следует называть любое внесение в ту или иную экосистему не свойственных ей живых или неживых компонентов или структурных изменений, пре­рывающих круговорот веществ, их ассимиляцию, поток энергии, вследствие чего данная экосистема разрушает­ся или снижается ее продуктивность.

Изменение климата в результате деятельности человека. В последние годы ведущие эксперты мира предуп­реждают, что глобальное потепление, вызванное дея­тельностью человека, может оказаться более значитель­ным, чем считалось ранее. Очевидно, тенденция в Ев­ропе к более частой суровой погоде и мокрым зимам, перемежаемым крайне сильными ливнями, совпадает с явлениями, которых эксперты ожидают от глобаль­ного потепления. Сильные бури, повлекшие человечес­кие жертвы, пронеслись на севере Франции, в Брита­нии, Ирландии.

В среднем, ученые предсказывают изменение сред­них температур на 3-4 °С к середине следующего века в случае удвоения концентрации СО₂ в атмосфере. Это приведет к значительному изменению сумм осадков в различных зонах.

Повышение температуры воздуха в высоких широ­тах на 3-4 °С, по предсказанию климатологов, может привести к уменьшению толщины полярных льдов, подъему уровня океана и затоплению ряда территорий, изменению расположения климатических зон на зем­ном шаре.

Кислотные дожди. Одной из важнейших (глобальных) проблем явля­ется дальний перенос в атмосфере различных загряз­няющих веществ, об­ладающих высокой токсичностью, таких, как дву­окись серы и продукты ее превращений, окислы азо­та и продукты их превращений, а также тяжелые металлы (и в особенности ртуть), пестициды и радио­активные вещества.

Вымывание двуокиси серы и окислов азота ведет к образованию серной и азотной кислоты и выпадению кислотных дождей. Это уже привело к общему закислению природной среды на огромных территориях и су­щественным экологическим изменениям. Образующиеся кислоты и продукты их превращений содержатся в осадках, поверхностных водах, почве и отрицательно влияют на экосистемы. Кроме того, разрушающему воз­действию кислот подвергаются различные конструкции, здания, уникальные памятники старины. И самое главное, эти вещества влияют на здоровье людей.

Разрушение озонового слоя. Одной из глобальных проблем является разруше­ние озонового слоя Земли. Разрушение молекул озона очень сильно зависит от наличия различных малых составляющих (окислов азота, водорода, хлора, бро­ма, хлорфторметанов (фреоны), закиси азота (N₂О), выделяющейся при использовании ми­неральных удобрений, а также непосредственные выбросы различных веществ в стратосферу при по­летах сверхвысотных самолетов.

Общее уменьшение содержания озона в атмосфере приведет к увеличению ультрафиолетового излучения солнца, достигающего земной поверхности. Это может способствовать повышению вероятности возникнове­ния рака кожи у людей, повлиять на продукцию сельс­кого хозяйства. Перераспределение концентрации озо­на по высоте приводит к перераспределению темпера­туры в стратосфере, что может сказаться на климате Земли.

Наибольшее загрязнение Мирового океана вызвано:

• загрязнение нефтью и нефтепродуктами, которое приво­дит к появлению нефтяных пятен, что затрудняет про­цессы фотосинтеза в воде из-за прекращения доступа солнечных лучей, а также вызывает гибель растений и животных. Каждая тонна нефти создает нефтяную пленку на площади до 12 км². Восстановление зара­женных экосистем занимает 10-15 лет;

• загрязнение сточными водами в результате про­мышленного производства, минеральными и органи­ческими удобрениями в результате сельскохозяйствен­ного производства, а также коммунально-бытовыми стоками, что ведет к эвтрофикации водоемов – обогащению их питательными веществами, приводящему к чрез­мерному развитию водорослей и к гибели других вод­ных экосистем с непроточной водой (озер, прудов), а иногда к заболачиванию местности;

• загрязнение ионами тяжелых металлов, которое нарушает жизнедеятельность водных организмов и человека.

Основными видами антропогенного воздействия на почву, ведущими к их деградации, яв­ляются: загрязнение; опустынивание; эрозия (ветровая, водная); вторичное засоление и заболачивание; отчуждение земель для промышленного и комму­нального строительства.

Поверхностные слои почв легко загрязняются различными химическими соединениями – пестициды; минеральные удобрения; промышленные и сельскохозяйственные отходы – газодымовые выбросы промышленных предприятий в атмосферу; нефть и нефтепродукты – пагубно влияющие на жизнедеятельность почвенных организмов. При этом теряется способность почвы к самоочищению от болезнетворных и других нежелательных микроорганизмов, что чревато тяжелыми последствиями для человека, животного и растительного мира.

Опустынивание – это процесс необратимого из­менения почвы и растительности и снижения биоло­гической продуктивности, который в экстремальных случаях может привести к полному разрушению био­сферного потенциала и превращению территории в пустыню, при этом резко падает биологичес­кая продуктивность, а, следовательно, подрывается и способность экосистем восстанавливаться. Всего в мире подвержено опустыниванию более 1 млрд га практически на всех континентах.

На территории СНГ опустыниванию подвержены Приаралье, Прибалхашье, Черные земли в Калмыкии и Астраханской об­ласти и некоторые другие районы. Все они относятся к зонам экологического бедствия, и их состояние продолжает ухудшаться.

Эрозия почв – разрушение и снос верхних наиболее плодородных горизонтов и подстилающих пород ветром (ветровая эрозия) или потоками воды (водная эрозия). К эрозионным процессам относят промышленную эрозию (разрушение сельскохозяйственных земель при строительстве и разработке карьеров), военную эро­зию (воронки, траншеи), пастбищную эрозию (при интенсивной пастьбе скота), ирригационную (разру­шение почв при прокладке каналов и нарушении норм поливов).

Охрана почвы от любых видов негативного антропоген­ного воздействия позволяет сохранить ее, прежде всего, как важнейшее звено в системе биосферы.

Основная литература: 2 [161–192]; 3 [188 – 192];

4[242-246, 260-263, 268-288], 5[61 – 88]

Дополнительная литература: 2 [102-128]

Контрольные вопросы:

1. Опишите возможную степень потепления и послед­ствия этого.

2. Как формируется озоновый экран и что ведет к его разрушению?

3. Назовите основные источники техногенного загряз­нения окружающей среды.

4. Назовите основные источники антропогенного за­грязнения Мирового океана.

5. Приведите примеры, иллюстрирующие масштабы опустынивания. Можно ли его предуп­редить?

Тема лекции 8 – Социально-экологические проблемы современности и устойчивое развитие. Социально-экологический кризис и устойчивое развитие. Проблема народонаселения и пути ее решения. Проблемы урбанизации. Энергетические проблемы. Продовольственная проблема.

Социально-экологический кризис – это такая стадия взаимодействия между обществом и природой, на которой до предела обостряются противо­речия между экономикой и экологией, а возможности сохранения потенциального гомеостаза, т. е. способности саморегуляции экоси­стем в условиях антропогенного воздействия, серьезно подорваны.

Экологический кризис не является неизбежным и закономерным порождением научно-технического прогресса, он обусловлен как у нас в стране, так и в других странах мира комплексом причин объек­тивного и субъективного характера, среди которых не последнее ме­сто занимают потребительское, а нередко и хищническое отношение к природе, пренебрежение фундаментальными экологическими законами.

Выход из глобального экологического кризиса заключается в разработке комплекса надежных антикризисных мер, позволяющих активно противодействовать дальнейшей деградации природной среды и выйти на устойчивое развитие общества. Попытки решения этой проблемы только одни­ми какими-либо средствами, например, технологическими (очист­ные сооружения, безотходные технологии и т. д.), принципиально неверны и не приведут к необходимым результатам. Преодоление экологического кризиса возможно лишь при условии гармоничного развития природы и человека, снятии антагонизма между ними. Это достижимо лишь на основе реализации «триединства естественной природы, общества и природы очеловеченной» на пу­тях устойчивого развития общества (Конференция ООН, Рио-де-Жа­нейро, 1992 г.), комплексного подхода к решению природоохранных проблем.

Анализ как экологической, так и социально-экономической об­становки позволяет выделить пять основных направлений выхода из экологического кризиса. При этом необходим комплексный подход в решении этой проблемы, т. е. одновременно должны использовать­ся все пять направлений:

1. совершенствование техно­логии – создание экологически чистой технологии, внедрение безотход­ных, малоотходных производств, обновление основных фондов и др.;

2. совершенствование экономиче­ского механизма охраны окружающей среды;

3. применение мер административного пре­сечения и мер юридической ответственности за экологические пра­вонарушения (административно-правовое направление);

4. гармонизация экологического мышле­ния (эколого-просветительское направление);

5. гармонизация экологических международ­ных отношений (международно-правое направление).

По мнению экспертов, «экологический кризис» неизбежен, если деятельность человечества не приобретет планомер­ный, согласующийся с законами существования и развития биосферы характер.

Урбанизация – одна из глобальных, общемировых проблем человечества – процесс повышения роли городов в жизни общества, рост городов и городского населения мира, формирование новых форм расселения, таких как агломерации и мегаполисы.

К основным причинам урбанизации следует отнести: а) миграцию людей из сельской местности в города; б) прирост населения в городах достигается за счет превышения рождаемости над смертностью и за счет механического притока населения. К 2025 г. городского населения на Земле будет 2/3 от общей численности на Земле. Самые высокие темпы урбанизации (5 % в год) характерны для беднейших, наименее развитых стран.

Урбанизация преобразует природный ландшафт, создавая в крупных городах особую городскую (урбанизированную) среду. Природные городские ландшафты весьма примитивны. Это парки и скверы, редко леса антропогенного происхождения и побережья морей и рек. Из фауны сохранились отдельные виды птиц и животные в очень простых и неустойчивых экосистемах. Широко встречаются немногие, толерантные к человеку виды, паразитирующие на отходах деятельности человека (крысы, вороны, тараканы, мыши).

Большие города в настоящее время представляют собой зоны экологического бедствия различного вида и напряженности.

К основным геоэкологическим проблемам урбанизации следует отнести: 1) загрязнение природной среды; 2) проблему ликвидации и утилизации твердых бытовых отходов; 3) проблему истощения подземных вод; 4) проблему активизации экзогенных процессов – эрозии, оползнеобразования, заболачивания, карста, термокарста; 5) проблему сохранения и восстановления растительности; 6) проблему загрязнения поверхностных водоемов, в том числе микробиологическими загрязнителями.

Необходимым условием улучшения городской среды является рациональность ее территориальной организации, т.е. выделение функциональных зон: промышленную, селитебную, транспортную, рекреационную, коммунально-складскую. К экологизации городской среды относятся создание каркаса зеленых насаждений (парки, скверы, лесопосадки). В условиях высокого уровня загрязнения необходимым элементом является мониторинг природной среды.

Проблема народонаселения и пути ее решения. Устойчивость любой экосистемы определяется посто­янством численности популяции всех видов, ее составляю­щих, в том числе и популяции человека. Последние 150 лет население Земли росло и продолжает расти взрывоопасными темпами. В 1999 г. население Земли составило 6 млрд человек, несмотря на снижение прироста населения за последние два десятилетия.

В природе для относительно крупных млекопитающих, к которым может быть отнесен человек, такая численность беспрецедентна. Вероятно, нормальная, биологически обусловленная численность Homo Sapiens близка к 500 тыс. особей. В настоящее время она превышена в 10 тыс. раз. Если не произойдет никаких резких перемен и такой характер увеличения численности человечества сохранится в XXI в., то к его концу численность населения достигнет 10 млрд человек. Этот прогноз не учитывает углубляющиеся экологические проблемы, которые ставят под сомнение возможность существования такого ко­личества людей в нашей биосфере, поскольку уже сейчас, «под давлением» шестимиллиардного населения происхо­дят серьезные климатические сдвиги, быстро истощаются и деградируют природные ресурсы. Чтобы человечество и дальше устойчиво продолжало развиваться, необходимы снижение темпов роста численности населения на Земле и распространение экологического сознания.

Энергетические проблемы. К традиционным видам топлива относятся уголь, торф, нефть, древесина. Ископаемое топливо, по разным оценкам, в среднем иссякнет приблизительно через 150 лет, в том числе нефть – через 35 лет, газ – через 50 лет, уголь через 400 лет. Для освоения новых месторождений требуются технически совершенные и дорогостоящие технологии, позволяющие извлекать их из географически трудных и глубокозалегающих районов.

Причинами возникновения энергетической проблемы являются: неверные прогнозы 60-хг. ХХ века о том, что запасы горючего топлива достаточно большие, причем доступна лишь ¼ ее часть, кроме того не было создано эффективной технологии добычи; возлагались надежды на атомную энергетику (одной из проблем которой является то, что сырья U-235 всего 0,7 %,U-238 – неделящегося – 99,3 %; проблематичны захоронение отходов и аварии).

Использование традиционных видов энергии нельзя причислить к экологически чистым, т.к. образуются огромные количества твердых отходов – золы и шлаков, сточных вод, выбросов пылегазовой смеси, содержащей в составе значительное количество оксидов серы, азота, углерода и др.

В качестве экологически чистых технологий используются альтернативные источники энергии – водородная, ядерная, солнечная, ветровая, океаническая, геотермальнаяи др., которые являются возобновляемыми.

В настоящее время методы использования этих «чистых» видов уже разработаны и даже начинают применяться на практике. Однако у такого способа добычи энергии есть и свои серьезные недостатки. Во-первых, далеко не везде есть природные условия для их использования (даже солнце и ветер не везде есть в достаточном количестве, не говоря уже о мор­ских волнах и приливах).

Во-вторых, это обходится значитель­но дороже, чем использование традиционных источников. Поэ­тому говорить о полном переходе на возобновимые источники энергии пока что не приходится. Однако, если вспомнить, во что обошелся и будет обходиться еще долгие годы Черно­быль, не говоря уже о страданиях людей, то, может быть, стоит потратить больше средств на «приручение» ветра и солнца, чем на развитие ядерной энергетики, тем более что, по оценкам экспертов, то и другое требует примерно одинаковых затрат.

В настоящее время экологические проблемы решаются на основе:

- поиска новых запасов топлива (в первую очередь, разведка нефтяных месторождений);

- совершенствования использования всех видов энергии, повышение КПД энергоустановок (до 40 % паровых и газовых турбин);

- изыскания и освоения новых источников энергии, могущих заменить нефть и газ.

Реально либо развитие атомной энергетики при условии повышения безопасности, либо резкое увеличение потребления твердого топлива, запасы которого на несколько порядков выше, чем нефти и газа.

Продовольственная проблема. Проблема голода неизбежно связана с прогрессирующим ростом населения. Голодают страны Африки, Азии, Латинской Америки. По данным ООН голодающих на Земле 500 млн. человек, по мнению Международного Банка Реконструкции и Развития (МБРР) – более 1 млрд. человек. По данным ВОЗ около 50 % детской смертности (до 5 лет) в Латинской Америке связано с плохим питанием, в частности нехваткой животных белков.

Голод может наступать также в результате климатических катастроф (неурожая, наводнений, засухи). В истории человечества голодные периоды были обычным явлением, начиная с семилетнего голода в Египте, описанного в Библии, и до нехватки пищи в африканских странах в конце ХХ века.

Таким образом, сегодня на первое место среди проблем, касающихся всех людей на Земле, вышли экологические проблемы, усугубляемые варварским использованием природных ресурсов, приводящим к деградации окружающей природной среды, ее интенсивному загрязнению.

Остается угроза ядерной войны; энергетические проблемы (невозобновимость нефти, газа, угля; опасность ядерной энергетики; деградация наземных экосистем: почв, лесов (эрозия, опустынивание, засоление, вырубка); снижение биоразнообразия растительного и животного мира; проблема истощения природных ресурсов Земли; угрозы безопасности ноосферы: космические (астероидная и др.); техногенные; военные угрозы.

Чтобы избежать дальнейшего нарастания и углубле­ния экологических проблем, человечество должно незамед­лительно принять определенные меры: ограничить рост собственной численности, уменьшить степень воздействия на окружающую среду.

Основная литература: 2 [149 – 160], 5 [435 – 476]

Дополнительная литература: 1 [98-100]; 1 [149-152]

Контрольные вопросы:

1. Что такое «экологический кризис», и при каких условиях он возникает?

2. Назовите основные направления выхода из экологического кризиса.

3. Перечислите традиционные и альтернативные источники энергии. В чем проявляются положительные и отрицательные свойства каж­дого из них?

4. Какие проблемы встают в связи с процессами урбанизации?

Тема лекции 9 – Охрана атмосферного воздуха. Состав и строение атмосферы. Основные источники загрязнения и загрязнители атмосферы. Критерии качества атмосферного воздуха. Мероприятия по охране атмосферы.

Состав и строение атмосферы. Атмосфера – газовая оболочка Земли. Ее масса составляет 5,15∙10¹⁵т. Современный газовый состав атмосферы – результат длительной истории развития Земли и в первую очередь живых организмов. Атмосферный воздух содержит 78 % азота, 21 % кислорода, 0,93 % аргона, 0,034 % углекислого газа, водорода, водяные пары, метан, неон, гелий, криптон, загрязнители воздуха. Полное обновление кислорода атмосферы живыми организмами происходит за 5 200 – 5 800 лет.

Состав атмосферы сохраняется до высоты 400-600 км. Выше начинает пре­обладать гелий («гелиевая корона»). Он достигает отметки около 1600 км. Далее преобладает водород.

В атмосфере выделяют несколько зон, располагающихся на различных высотах от Земли в зависимости от их температуры.

Самый близкий к поверхности Земли слой носит назва­ние «тропосфера». В этом слое высота в средних широтах составляет 10-12 км над уровнем моря, над экватором – 16-18 км, на полюсах – 7-10 км. Температура воздуха в тропосфере уменьшается на 0,6° С на 100 м высоты и сни­жается с + 40° С до – 50 ° С. В этом слое высотой 9-10 км в основном происходят явления, которые именуют по­годой. Именно в этой части атмосферы об­разуются облака и формируются все виды осадков, которые по своей сути являются очистителями воздуха от примесей.

Выше тропосферы расположен слой толщиной около 40 км, который называют стратосферой. Воздух в ней бо­лее разряжен, влажность его невысока. Температура до от­метки 30 км постоянна, около – 50° С, затем повышается до + 10⁰ С на отметке 50 км. В стратосфере сконцентриро­вана основная часть атмосферного озона (озоновый слой), и именно это обстоятельство обусловливает такое повышение темпера­туры. Дело в том, что озоновый слой поглощает ультрафиолетовые лучи Солнца, что и вызывает разогрев атмосферы.

Озоновый слой очень тонок. Если этот газ сосредото­чить у поверхности Земли, то он образовал бы пленку тол­щиной всего 2-4 мм, однако эта пленка служит нам защи­той. Проблема разрушения озонового слоя глобальная и требует серьезного внимания всех стран мира.

За стратосферой, на высоте более 50 км, находится мезосфера, где температура опять понижается. На высоте около 80 км она равна – 70 °С. За мезосферой, еще выше (более 80 км над земной поверхностью) расположена тер­мосфера, не имеющая определенной верхней границы, где температура увеличивается и достигает на высоте 500- 600 км +1600° С. Газы здесь сильно разрежены, молекулы редко сталкиваются друг с другом, и не могут вызвать на­грева находящегося в этой зоне тела. Однако атмосферное давление с высотой уменьшается. Другими словами, воздух по мере высоты становится все разреженнее, 90% массы ат­мосферы сосредоточено в пределах 16 км над земной по­верхностью.

И наконец, наиболее удалена от Земли экзосфера – 800-1600 км. В ней еще обнаруживаются газы, и наблюда­ется утечка атомов (в основном водорода и гелия) в кос­мос.

Атмосферный воздух рассматривается как неисчерпаемый ресурс, но в результате, загрязнения атмосферы существенно ухудшаются жизненные условия среды обитания.

Основные источники загрязнения и загрязнители атмосферы. В атмосфере постоянно находится огромное количество загрязняющих веществ. По данным ученых их объем оценивается в 10 млн. т. Это огромная масса. Все источники загрязнения атмосферного воздуха делятся на две части: естественные (вулканизм, дефляция, распад органики, пожары) и антропогенные (транспорт, промышленность, энергетика, строительство, добыча полезных ископаемых) источники.

Естественные загрязнения биосфера способна уда­лять, ассимилировать и рециклизировать. Атмосферные загрязнения рассеиваются в атмосфере, выпадают с осад­ками на Землю, где в дальнейшем преобразуются, в част­ности микроорганизмами, в безвредные соединения. Поступление же в атмосферу огромных количеств за­грязняющих веществ из антропогенных источников при­водит к превышению возможностей биосферы по их рециклизации.

Выделяют несколько групп основных загрязнителей:

1. Соединения углерода (СО – 1/3 всех выбросов вредных веществ во всем мире, СО₂, угольная кислота, альдегиды, углеводороды, технических углерод) опасны тем, что понижают содержание кислорода в крови, что ведет к гипоксии. В биосфере способствуют образованию «Парникового эффекта».

2. Соединения серы (серный газ, сернистый газ, серная кислота, Н₂S) вызывают обострение респираторных заболеваний, наносят вред растениям, разъедают известняк и некоторые ткани, вызывают интоксикацию организма.

3. Соединения азота (NO, NO₂, HNO₃) создают смог и вызывают респираторные заболевания и бронхит у новорожденных. Способствуют чрезмерному разрастанию водной растительности.

4. Тяжелые металлы (ртуть, свинец, кадмий и др.), поступая в организм, концентрируются и вызывают заболевания, в т. ч. онкологические.

5. Радиоактивные вещества приводят к злокачественным новообразованиям и генетическим мутациям.

Одна из наиболее существенных проблем загрязне­ния атмосферного воздуха в крупных городах связана с вторичными загрязнителями – компонентами, так назы­ваемого фотохимического смога («Лондонский смог», «смог Лос-Анджелеса»), который образуется в результате хими­ческого взаимодействия оксидов азота и углеводородов, попадающих в воздух с выхлопными газами автотранс­порта, под действием солнечного излучения.

Загрязнители оказывают влияние на все живые организмы. По характеру действия загрязняющих веществ (ЗВ) выделяют два основных пути: прямое и косвенное (через воду, продукты питания, плоды леса).

Критерии качества атмосферного воздуха. В атмосферном воздухе, особенно в нижних слоях, кроме газообразных составляющих, всегда имеются физические примеси, играющие большую роль в развитии ряда атмосферных процессов. Различные по происхождению и разнообразные по форме, размерам, химическому составу и физическим свойствам они всегда находятся во взвешенном состоянии. Это пыль, дым, сажа, различные органические частицы (споры, пыльца, микроорганизмы).

Качество воздуха оценивается с помощью качественного показателя – ПДК по коэффициенту

j = C_i / ПДК_i , (1)

где С_i – фактическая концентрация веществ, ПДК_i – максимально разовые предельно-допустимые показатели загрязняющих веществ (ЗВ).

Часто загрязнение усиливается присутствием одновременно нескольких загрязняющих веществ, тогда учитывается эффект суммации этих загрязнителей:

j = C₁ / ПДК₁ + C₂ / ПДК₂ + …. + C_n / ПДК_n  1, (2)

где С₁, С₂…С_n – фактические концентрации веществ, мг/м³;

ПДК₁, ПДК₂,…ПДК_n– максимально разовые ПДК ЗВ, мг/м³.

Это уравнение используется при установлении качества воздуха, если в нем одновременно присутствуют следующие группы веществ: ацетон + фенол; озон + диоксид азота + формальдегид; сернистый газ + диоксид азота; сернистый газ + фтористый водород; сернистый газ + аэрозоль серной кислоты; сернистый газ + сероводород и другие комбинации, которые можно найти в справочниках.

Если j ≤ 1, значит, опасность загрязнения от этих выбросов не существует или они интенсивно рассеиваются на определенной территории. Если же j > 1, значит, данное предприятие опасно загрязняет окружающую среду и, требуются природоохранные мероприятия.

Еще в 20-е гг. ХХ века начали вводить ПДК вредных веществ в рабочих помещениях. Обычно содержание примесей в воздухе рабочего помещения больше, чем на площадке предприятия и тем более за ее пределами. Поэтому для каждого вредного вещества в воздухе устанавливают, по крайней мере, два нормативных значения: ПДК в воздухе рабочей зоны (ПДК_р.з) и ПДК в атмосферном воздухе ближайшего населенного пункта (ПДК_а.в.).

ПДК_р.з – это концентрация, которая при работе не более 41 часа в неделю в течение всего рабочего стажа не может вызвать заболеваний у работающих и их детей.

Следовательно, при нормировании вредных веществ в воздухе производственных помещений учитывается время пребывания людей в зоне загрязнения. На территории предприятия содержание примесей принимается равным 0,3 ПДК_р.з, так как этот воздух используется для приточной вентиляции, кроме того, из-за высоких производственных зданий наблюдаются застойные явления «ветровые тени», поэтому различают ПДК промышленной площадки - ПДК_ПП.

ПДК_а.в – это предельная концентрация, которая на протяжении всей жизни человека не должна оказывать на него вредного влияния, включая отдаленные последствия на окружающую среду в целом.

В зонах непосредственного нахождения человека у источников выброса, а также в аварийных случаях, важное значение имеют ПДК максимально-разовая и среднесуточная.

Максимально-разовые ПДК – величина концентрации, не оказывающая влияния в течение 20 минут, принимаемая при замере в среднем в течение 20 минут (не вызывает ограничения видимости, присутствия запаха).

Среднесуточные ПДК - предельно-допустимые концентрации, не оказывающие воздействия в течение суток.

В нашей стране существует следующая классификация ПДК воздуха, представленная на рисунке 9.1.

Мероприятия по охране атмосферы. Охрана атмосферы – комплекс мероприятий, направленных на снижение общего количества загрязнителей, уровней концентрации загрязнения атмосферы и приводящий к улучшению качества воздуха.

Выделяют пять групп мероприятий по охране атмосферы: снижение валового количества загрязнителей (улучшение качества топлива, совершенствование технологических процессов и двигателей внутреннего сгорания и т. д.), защита атмосферы путем рассеивания загрязняющих веществ, обработки и нейтрализации вредных выбросов (установка фильтров и пылеуловителей, сооружение высоких труб и т.д.), рациональное, дискретное размещение «грязных» предприятий (установление санитарно-защитной зоны, строительство объездных дорог и др.), упорядочение транспортного движения и экологический контроль за источниками загрязнения атмосферы.

Рисунок 9.1 - Классификация предельно-допустимых концентраций в воздухе

Основная литература: 2 [176-189, 257 – 260]; 3 [92-109]

Дополнительная литература: 1 [108-117], 2 [102-110]

Контрольные вопросы:

1. Какие факторы оказывают влияние на газовый состав атмосферы?

2. Назовите группы основных загрязнителей атмосферного воздуха.

3. В чем заключается проблема «парникового эффекта»?

4. Что такое смог? Назовите основные типы смогов.

5. Какие последствия может иметь исчезновение озонового экрана?

Тема лекции 10 – Методы и средства защиты атмосферы. Классификация систем очистки воздуха. Очистка промышленных выбросов от пыли. Методы и системы очистки от газообразных примесей. Санитарно-защитная зона.

Классификация систем очистки воздуха. По агрегатному состоянию загрязнители воздуха подразделя­ются на пыли, туманы и газопарообразные примеси. Промыш­ленные выбросы, содержащие взвешенные твердые или жидкие частицы, представляют собой двухфазные системы. Сплошной фазой в системе являются газы, а дисперсной - твердые частицы или капельки жидкости.

Системы очистки воздуха от пыли (рисунок 10.1) делятся на четыре основные группы: сухие и мокрые пылеуловители, а также элек­трофильтры и фильтры.

При повышенном содержании пыли в воздухе используют пылеуловители и электрофильтры. Фильтры применяют для тон­кой очистки воздуха с концентрацией примесей менее 100 мг/м³.

Для очистки воздуха от туманов (например, кислот, щелочей, масел и др. жидкостей) используют системы фильтров, называе­мых туманоуловителями.

Средства защиты воздуха от газообразных примесей зави­сят от выбранного метода очистки. По характеру протекания фи­зико-химических процессов выделяют метод абсорбции (про­мывка выбросов растворителями примеси), хемосорбции (про­мывка выбросов растворами реагентов, связывающих примеси химически), адсорбции (поглощение газообразных примесей за счет катализаторов) и термической нейтрализации.

Рисунок 10.1 Системы и методы очистки вредных выбросов

Очистка промышленных выбросов от пыли. Сухие пылеуловители (циклоны, пылеосадительные каме­ры) предназначены для грубой механической очистки выбро­сов от крупной и тяжелой пыли. Принцип работы – оседание частиц под действием центробежных сил и сил тяжести. Пылегазовый поток вводится в циклон через патрубок, далее он совершает вращательно-поступательное движение вдоль корпуса; частицы пыли отбрасываются к стенкам цикло­на и далее он совершает вращательно-поступательное движение вдоль корпуса; частицы пыли отбрасываются к стенкам цикло­на и затем падают вниз в сборник пыли (бункер), откуда перио­дически удаляются.

В зависимости от конструк­тивного исполнения различают циклоны:

• осевые, в корпусе которых входящие и выходящие потоки газа движутся вдоль его оси, при этом они могут двигаться в одном направлении (прямоточные) или в противоположных (противоточные);

• с тангенциальным входом, при этом входящий газ движется по касательной к окружности поперечного сечения корпуса аппарата и перпендикулярно к оси корпуса;

• с винтовым входом, при этом движение входящего потока газа приобретает винтовой характер с помощью тангенциального входного патрубка и верхней крышки с винтовой поверхностью;

• со спиральным входом, когда соединение выпускного патрубка с корпусом аппарата выполнено спиральным.

Для повышения эффективности работы применяют групповые (батарейные) циклоны.

Пре­имущество циклонов – простота конструкции, небольшие разме­ры, отсутствие движущихся частей; недостатки – затраты энергии на вращение и большой абразивный износ частей аппарата пылью.

Кроме циклонов, применяются и другие типы сухих пылеуло­вителей, например ротационные, вихревые, радиальные.

Мокрые пылеуловители. Особенностью этих систем очистки является высокая эф­фективность очистки от мелкодисперсной пыли (менее 1,0 мкм). Эти системы обеспечивают возможность очи­стки от пыли горячих и взрывоопасных газов. Эти системы работают по принципу осаждения частиц пыли на поверхность капель (или пленки) жидкости под действием сил инерции и броуновского дви­жения. Конструктивно мокрые пылеуловители разделяют на форсу­ночные скрубберы и скрубберы Вентури, ко­торые обеспечивают 99% очистки от частиц размером более 2 мкм, а также аппараты ударно-инерционного и барботажного и других типов.

Фильтры (тканевые, зернистые) способны задерживать мелкодисперсные частицы пыли до 0,05 мкм. В промышленности наиболее употребительны тканевые рукавные фильтры с тканями из синтетических во­локон повышенной термостойкости (250-300 °С) типа «сульфон-Т», фильтровальные металлические ткани (до 800 °С), а также фильтры из тканей типа ФПП и ФПА, дающие высокую степень очистки.

В корпусе фильт­ра устанавливается необходимое чис­ло рукавов, на которые подается за­грязненный воздух, при этом очи­щенный воздух выходит через патрубок. Частицы загрязнений осе­дают на фильтре. Насыщенные за­грязненными частицами рукава про­дувают и встряхивают для удаления осажденных частиц пыли. Эффек­тивность таких фильтров достигает 0,99 для частиц размером более 0,5 мкм.

Электрофильтры – наиболее совершенный способ очист­ки газов от взвешенных в них частиц пыли размером до 0,01 мкм при высокой эффективности очистки газов (99,0-99,5%). Принцип работы всех типов электрофильтров основан на иони­зации пылегазового потока у поверхности коронирующих элек­тродов. Приобретая отрицательный заряд, пылинки движутся к осадительному электроду, имеющему знак, обратный заряду коронирующего электрода. При встряхивании электродов оса­жденные частички пыли под действием силы тяжести падают вниз в сборник пыли. Электроды требуют большого расхода электроэнергии – это их основной недостаток.

Наиболее эффективны комбинированные методы очистки от пыли. Например, отличные результаты дает очистка агло­мерационных газов в батарейных циклонах с последующей доочисткой в скрубберах Вентури, а также в электрофильтрах.

Туманоуловители. Для очистки воздуха от туманов, кислот, щелочей, масел и других жидкостей используются волокнистые фильтры, принцип действия которых основан на осаждении капель на поверхности пор с последующим их стеканием под действием гравитационных сил. Эффективность туманоуловителей для разме­ров частиц менее 3 мкм может достигать 0,99.

Для улавливания кислотных туманов применяются также сухие электрофильтры.

Методы и системы очистки от газообразных примесей. Способы очистки выбросов от токсичных газо- и парооб­разных примесей (NO, NО₂, SО₂ и др.) подразделяют на три основные группы: 1) промывка выбросов раство­рителями примеси (абсорбционный метод); 2) поглощение га­зообразных примесей твердыми телами с ультрамикроскопи­ческой структурой (адсорбционный метод) и 3) поглощение примесей путем применения каталитического превращения.

Метод абсорбции заключается в разделе­нии газовоздушной смеси на составные части путем поглощения одного или нескольких газовых компонентов поглотителем (абсор­бентом) с образованием раствора. Состав аб­сорбента выбирается из условия растворения в ней поглощаемого газа. Например, для уда­ления из технологических выбросов таких га­зов, как аммиак, хлористый водород и др., целесообразно применять в качестве погло­тительной жидкости воду. Для улавливания водяных паров используют серную кислоту, а ароматических уг­леводородов (из коксового газа) – вязкие масла.

Установки, реализующие метод аб­сорбции, называются абсорберами. В абсорберах жидкость дробится на мел­кие капли для обеспечения более высо­кого контакта с газовой средой. Все аппараты жидкостной абсорбции делят­ся на три типа: колонные, тарельчатые и насадочные абсорберы.

Метод хемосорбции основан на поглощении газов и паров твердыми или жидкими поглотителями с образованием химиче­ских соединений. Реакции хемосорбции экзотермические. Например, очистка газовой смеси от сероводорода мышьякощелочным методом осуществляется по следующей химической реак­ции:

Na₄As₂S₅О₂ + H₂S = Na₄As₂S₆О + Н₂О.

При этом извлекаемый водород связы­вается оксисульфомышьяковой солью, находящейся в водном растворе.

Установки для хемосорбции внешне напоминают используе­мые при методе абсорбции. Оба эти метода называются мокрыми и в зависимости от очищаемого компонента и применяемого рас­творителя или поглотителя их эффективность может достигать 0,75...0,92. Основной недостаток мокрых методов в том, что при их реализации понижается температура газов, что уменьшает их эффективность.

Адсорбционный метод позволяет извлекать вредные ком­поненты из промышленных выбросов с помощью адсорбен­тов – твердых тел с ультрамикроскопической структурой (ак­тивированный уголь и глинозем, силикагель, цеолиты, слан­цевая зола и другие вещества).

Метод адсорбции позволяет проводить очистку вредных выбросов при повышенных температурах.

Конструктивно адсорберы выпол­няются в виде вертикальных или гори­зонтальных емкостей, заполненных ад­сорбентом, через который проходит поток очищаемых газов.

С помощью каталитического метода превращают токсич­ные компоненты промышленных выбросов в вещества безвред­ные или менее вредные для окружающей среды путем введе­ния в систему дополнительных веществ, называемых катали­заторами. Широко применяют палладийсодержащие и ванадие­вые катализаторы. С их помощью происходит каталитическое досжигание оксида углерода до диоксида и диоксида серы до оксида.

Термический метод или высокотемпературное дожигание, ко­торый иногда называют термической нейтрализацией, требует поддержания высоких температур очищаемого газа и наличия достаточного количества кислорода. В термических катализаторах сжигаются такие газы, как, например, углеводороды, оксид углерода, выбросы лакокрасочного произ­водства. Эффективность этих систем очистки достигает 0,9...0,99, температура в зоне горения - 500...750°С.

Защита атмосферного воздуха от вредных выбросов пред­приятий в значительной степени связана с устройством санитарно-защитных зон.

Санитарно-защитная зона (СЗЗ) – территория между границами промплощадки, складов открытого и закрытого хранения материалов и реагентов, предприятий сельского хозяйства, с учетом перспективы их расширения и селитебной застройки. Она предназначена для:

• обеспечения требуемых гигиенических норм содержания в приземном слое атмосферы 3В, уменьшения отрицательного влия­ния предприятий, транспортных коммуникаций, линий электропе­редач на окружающее население, факторов физического воздейст­вия;

• создания архитектурно-эстетического барьера между промышленностью и жилой частью при соответствующем ее благо­устройстве;

• организации дополнительных озелененных площадей с целью усиления ассимиляции и фильтрации загрязнителей атмосферного воздуха, а также повышения активности процесса диффузии воз­душных масс и локального благоприятного влияния на климат.