Болятко Основы екологии и охраны окружаюсчей 2008

биологическую продуктивность не выше, чем это свойственно ее самым продуктивным естественным элементам. Продуктивность естественных экосистем составляет от 200 до 20000 ккал/(м2 год). Реально продуктивность современных высокомеханизированных сельскохозяйственных угодий – 12000 ккал/(м2 год). Таким образом, существует предельный уровень продукции, которую можно получить с единицы площади в нашей биосфере при любых антропогенных ухищрениях.

Представляется, что рост биологической продуктивности сельскохозяйственных угодий, в том числе за счет искусственного омоложения природных систем, удерживания их на ранних стадиях сукцессии, закончился или подходит к концу. Дальнейшее стимулирование сельскохозяйственных угодий дополнительными антропогенными субсидиями будет приводить только к деградации и разрушению природных структур. Добавим, что минеральные соли в удобрениях усваиваются растениями лишь на 10 – 15%.

Сельскохозяйственная деятельность ведет к упрощению систем жизнеобеспечения нашей планеты, сокращению разнообразия растительного и животного мира, к лишению биотического сообщества возможности выполнять свои эволюционно сложившиеся обязанности по поддержанию условий существования живого вещества на нашей планете.

Разнообразие взаимодействующих сложных естественных экосистем обязательно для поддержания надежности биосферы. Единственным способом сохранения приемлемой для существования окружающей среды является восстановление и поддержание естественных экосистем на больших территориях земной поверхности, позволяющих биотическому сообществу выполнять регулирующие функции в биосфере.

Одной из проблем воздействия на почвы интенсивной обработкой (химизация, механизация и пр.) является борьба с сорняками и вредителями. Эта борьба носит характер замкнутого

круга: внесение	химикатов	адаптация вредителей	более
сильные дозы пестицидов		ускорение естественного отбора
новые пестициды	и т.д. вплоть до возможной потери химикатами
своей эффективности.

161

Применение пестицидов возросло во второй половине XX в. в десятки раз, а потери урожая в ведущих странах мира только увеличились. Побочным негативным эффектом этого процесса является химическое загрязнение окружающей среды, в особенности пресных водоемов в глобальных масштабах.

Для решения проблем обеспечения растущего человеческого общества в XXI в. продуктами питания требуется дальнейшая пространственно-энергетическая экспансия. Для удвоения количества потребляемых продуктов к 2050 г. необходимо либо значительное увеличение площади пахотных земель, либо рост в десятки раз энергетических вложений.

На рис. 5.12 приведена зависимость, демонстрирующая эффективность преобразующей деятельности человека. Если на начальном этапе преобразующая деятельность человека играет положительную роль, то после прохождения определенного предела (40% площади преобразованных на Земле естественных экосистем) дальнейшая пространственная экспансия приводит только к деградации биосферы. Если в 1900 г. естественные экосистемы были разрушены на 20% территории суши, то к концу XX в. – на 63%, а теперь человек все активнее вторгается в естественные экосистемы океана.

За XX столетие пространственная экспансия человека превзошла разумные пределы. К концу этого периода явное присутствие человека не отмечено на площади, равной приблизительно трети суши, включая Антарктиду, а, например, в Европе всего лишь на 3% территории. Европа и в этом аспекте выступает в качестве экологически не самодостаточной территории.

Человек уже платит существенную цену за совершенные в биосфере преобразования. В частности, сам факт появления термина «экологически чистые продукты» свидетельствует о снижении качества потребляемых продуктов питания, а следовательно, и качества жизни.

162

Рис. 5.12. Сумма получаемых положительных ценностей от преобразованных человеком на Земле экосистем

Для сохранения равновесного положения в окружающей среде человек должен потреблять не более 1% чистой первичной продукции биосферы. Человечество нарушает природные закономерности распределения живого вещества и энергии планеты, около 40% первичной продукции суши потребляется ограниченным числом видов, культивируемых людьми для своих нужд. Человек, в особенности в XX в., все больше направлял в антропогенный канал поток энергии, протекающий в биосфере, и к концу XX в. увеличил его почти на порядок по сравнению с равновесным уровнем в 1%, наблюдавшимся в начале века.

Попутно человек косвенно еще снижает и разрушает в результате потерь урожая, сжигания и сведения лесов, опустынивания и урбанизации поток чистой первичной продукции примерно на 30%. Разрушенная часть перераспределяется в пользу сопровождающих человечество видов: крыс, мышей, тараканов, микроорганизмов и пр.

Пространственно-энергетическая экспансия человека в окружающем мире является важнейшей компонентой глобального экологического кризиса. Это обусловлено несбалансированным поведением человеческой популяции. Мы лишаем живую природу

163

пространства и энергии, необходимых ей для выполнения своих основополагающих регулирующих функций в биосфере.

Контрольные вопросы

1.Почему рост численности человеческой популяции определяется «J-образной» кривой?

2.Какие тенденции складываются в динамике изменения численности населения планеты в обозримом будущем?

3.Какой демографический смысл логистической кривой и потенциальной емкости населения планеты?

4.Что такое концепция демографического перехода? Поясните явление инерции популяции.

5.Составьте свой демографический прогноз на основе данных о переписи населения.

6.Приведите примеры возобновляемых ресурсов.

7.Реальны ли возможности по обеспечению пищевыми ресурсами население планеты?

8.Какие количественные показатели определяют пространственно-энергетическую экспансию человечества в окружающем мире?

164

Г Л А В А 6

ВОПРОСЫ РАДИОЭКОЛОГИИ

6.1. Общие сведения и определения

Радиация – обобщенное понятие. Оно включает различные виды излучений, часть которых встречается в природе, другие получаются искусственным путем. Ионизирующее излучение - любое излучение, взаимодействие которого со средой приводит к образованию электрических зарядов разных знаков.

Одним из источников ионизирующих излучений является радионуклид – атомное ядро, способное к радиоактивному распаду. Все виды ионизирующих излучений делятся на корпускулярные и электромагнитные. Последние имеют ту же природу, что и видимый свет, и солнечные лучи, и радиоволны, отличаясь лишь величиной длины волны.

Прежде всего, следует различать корпускулярное излучение, состоящее из частиц с массой, отличной от нуля, и электромагнитное излучение.

Корпускулярное излучение может состоять как из заряженных, так и из нейтральных частиц.

•Альфа-излучение представляет собой ядра гелия, которые испускаются при радиоактивном распаде элементов тяжелее свинца или образуются в ядерных реакциях.

•Бета-излучение - электроны или позитроны, которые образуются при бета-распаде различных элементов от самых легких (нейтрон) до самых тяжелых.

•Космическое излучение приходит на Землю из космоса.

Вего состав входят преимущественно протоны и ядра гелия. Более тяжелые элементы составляют менее 1%. Проникая вглубь атмосферы, первичное космическое излучение взаимодействует с ядрами, входящими в состав атмосферы, и образует потоки вторичных частиц (мезоны, гамма-кванты, нейтроны и др.).

•Нейтроны образуются в ядерных реакциях (в ядерных реакторах и в других промышленных и исследовательских установках, а также при ядерных взрывах).

165

Продукты деления содержатся в радиоактивных отходах переработанного топлива ядерных реакторов.

Протоны, ионы в основном получаются на ускорителях.

Электромагнитное излучение имеет различные источники: гамма-излучение атомных ядер и тормозное излучение ускоренных электронов, радиоволны и т.д. (табл. 6.1).

					Таблица 6.1
	Характеристики электромагнитных излучений
	Энергия,		Характерная		Вид излучения
	эВ		длина волны,
			мкм
	109		10-10		Тормозное излучение
	105		10-6		Гамма-излучение ядер
	103		10-4		Рентгеновское излучение
101		10-2
					Ультрафиолетовое
					излучение
10-1		0,38 - 0,76			Видимый свет
10-3		102
					Инфракрасное излучение
10-5		104			Микроволновое излучение
10-7		106			СВЧ
10-9		108			Радиоволны ВЧ
10-11		1012			Радиоволны НЧ

6.2. Явление радиоактивности

Явление радиоактивности было открыто в 1896 г. французским ученым А. Беккерелем. В настоящее время оно широко

используется в науке, технике, медицине,			промышленности.
Радиоактивные	элементы	естественного	происхождения

166

присутствуют повсюду в окружающей человека среде. Искусственные радионуклиды образуются на промышленных предприятиях и в атомной отрасли. Попадая в окружающую среду, они оказывают негативные воздействия на живые организмы, в чем и заключается их опасность.

Способность ядер самопроизвольно распадаться, испуская частицы, называется радиоактивностью. Радиоактивный распад –

статистический процесс, и его закономерность наблюдается в случае распада достаточно большого количества ядер.

Если в образце в момент времени t имеется N радиоактивных ядер, то количество ядер dN , распавшихся за время dt , пропорционально N :

dN =- Ndt .		(6.1)
Коэффициент пропорциональности	λ	называется

постоянной распада, характеризующий вероятность распада на один атом за единицу времени. Знак минус соответствует убыванию числа радиоактивных ядер в процессе распада.

Проинтегрировав (6.1), получим закон радиоактивного

распада

N (t)

N0e λt ,

(6.2)

где N0 – количество радиоактивных ядер в момент времени t

0 .

Среднее время жизни τ определяется так:

t

dN

dt

dt

1

τ

0

dN

dt

λ .

(6.3)

0

dt

167

Период полураспада T1 2

– время, за которое

первоначальное количество радиоактивных ядер уменьшается в два раза:

T1 2	ln 2	.	(6.4)
	λ

Периоды полураспада изменяются в широком диапазоне от нескольких миллисекунд до 1016 лет.

Под активностью радионуклида (атомного ядра, способного к радиоактивному распаду) понимается отношение ожидаемого

числа dN спонтанных ядерных	превращений,		происходящих за
интервал времени dt , к величине этого интервала:
A	dN	.	(6.5)
	dt

Единицей активности радионуклида является беккерель (Бк): 1 Бк = 1 распад/с. Внесистемной единицей активности является кюри (Ки): 1 Ки = 3,7∙1010 Бк. Отношение активности радионуклида к массе, объему, площади источника называется удельной, объемной,

поверхностной активностью радионуклида соответственно.

Наравне с системными единицами (Бк/м2, Бк/кг) широко используются Ки/км2, Ки/л для характеристики загрязненных объектов.

Изменение активности радионуклида во времени выражается аналогичным (6.2) экспоненциальным законом:

A(t) A0 e t ,

(6.6)

где A0 – активность радионуклида в начальный момент времени.

Активность связана с числом радиоактивных		ядер N
следующим образом:
A	N 0, 693 N T1 2 .	(6.7)

168

Между активностью A в беккерелях и массой радионуклида

m в граммах с атомной массой					M согласно выражению (6.7)
существует следующая зависимость:
			A	0,693		N A	m ,		(6.8)
				T1/ 2		M
где число Авогадро N		A	6, 023 1023 моль-1; период полураспада
T1 / 2 измеряется в секундах.
Для	радионуклидов,			распадающихся				в	дочерний

нестабильный нуклид, необходимо учесть всю цепочку образующихся нестабильных дочерних продуктов.

Пусть при распаде радионуклида образуется дочерний нуклид, который является также радиоактивным, тогда распад

исходного ядра N1 в дочернее ядро N2 с последующим его распадом описывается системой дифференциальных уравнений:

dN1		1N1	;
dt				(6.9)
dN2
		2 N2 1N1		,
dt

где λ1 и λ2 – постоянные распада соответствующих ядер. Допустим, что в начальный момент нет дочерних ядер

N2 (0) 0 , а исходных N1 (0) , тогда, решая систему (6.9), получим:

			N1 (t)		N1 (0) e λ1t ;		(6.10)
N		(t)		N1 (0) λ1		(e λ1t e λ2t ).
	2						(6.11)
				λ2	λ1

На рис. 6.1 показана зависимость активности материнского и дочернего ядер, а также их суммарная активность от времени. В

нижней части рисунка показан случай, когда λ1 λ2 и суммарная активность монотонно уменьшается. На верхней половине рисунка

169

для случая λ1 λ2 суммарная активность сначала растет за счет

накопления дочерних ядер, а затем снова будет монотонно уменьшаться.

Рис. 6.1. Зависимость от времени активности материнского и дочернего ядер, а также их суммарной активности (для каждого случая показан масштаб периода полураспада материнского ядра)

При больших временах активности материнского и дочернего ядер практически сравниваются: N1(t) λ1 N2 (t) λ2 , и наступает так называемое вековое равновесие, при котором число

170