Курс лекций по экологии Машуков Никитин
.pdf- межрегиональные (крупный промышленный регион, например, Канско-Ачинский топливно-энергетический комплекс – КАТЭК).
Существует также глобальная интерпретация этого понятия. Однако переход человечества от существующей глобальной экономической системы к глобальной ЭЭС представляет собой отдаленную и не очень конкретную перспективу. Поэтому в настоящее время важно исследовать территориальные (локальные, региональные, межрегиональные) экологоэкономические системы. Территориальная ЭЭС − это «ограниченная определенной территорией часть техносферы, в которой природные, социальные и производственные структуры и процессы связаны взаимоподдерживающими потоками вещества, энергии и информации» [1, с. 453]. Такая ЭЭС представляет собой сочетание двух подсистем – экономической и экологической, функционирующих совместно. Экономическая подсистема характеризует производственнохозяйственную деятельность, а экологическая обеспечивает производство природными ресурсами и воспринимает от него потоки загрязнения [32].
Применительно к федеральному железнодорожному транспорту России локальными ЭЭС являются линейные предприятия, региональными
– отделения железных дорог, межрегиональными – железные дороги [13]. Здесь также может быть добавлен четвертый уровень – национальный. Это открытое акционерное общество «Российские железные дороги» (ОАО «РЖД»), объединяющее железные дороги всей страны.
Приведенные выше краткие сведения об экосистемах необходимо дополнить понятием экологической ниши. Экологическая ниша – это место биологического вида в пространстве и его взаимоотношение с другими видами. Экологическая ниша человека в настоящее время – вся Земля, а также прилегающее космическое пространство, причем эта ниша постоянно расширяется. Однако в пределах Земли возможности расширения экологической ниши человека практически исчерпаны. Поэтому необходимо ее изменение, то есть всеобщее взаимодействие и сотрудничество с природой, а не противодействие ей.
1.3. Экологические факторы
Экологический фактор – это элемент среды, оказывающий существенное влияние на живой организм. Другое определение: это любое
условие среды, на которое живой организм реагирует приспособительными реакциями (за пределами приспособительных способностей лежат летальные факторы).
Экологические факторы подразделяются на:
-абиотические – факторы неживой среды (например, климатические – температура, влажность, давление и т.п.);
-биотические – факторы живой среды (влияние живых существ);
-антропогенные – факторы человеческой деятельности. Систематизация информации об ЭЭС, а также разработка мер по ООС
иохране труда производится на основе обобщенного понятия «антропогенный производственный фактор». Антропогенный производственный фактор (АПФ) – фактор, способный вызвать негативные изменения здоровья человека, непосредственно занятого в производственном процессе, и антропогенные изменения окружающей среды, подверженной воздействию данного производственного процесса. По своей природе АПФ могут быть физическими, химическими,
биологическими, психофизиологическими, а по своему действию подразделяются на:
-вредные – длительное воздействие которых на людей в определенных условиях приводит к заболеванию или снижению работоспособности (шум, вибрация, электромагнитные поля, фоновое загрязнение воздуха и др.);
-опасные – воздействие которых на людей в определенных условиях приводит к резкому ухудшению здоровья (электрический ток, залповые выбросы в атмосферу и т.п.);
-особо опасные – АПФ, которые при определенных условиях приводят к промышленной аварии, т.е. разрушительному высвобождению собственного энергозапаса промышленного предприятия, при котором сырье, промежуточные продукты, продукция предприятия, отходы производства, технологическое оборудования, вовлекаясь в аварийный процесс, создают факторы для населения, персонала, окружающей среды и самого промышленного предприятия, приводящие к катастрофическим последствиям (пожары, взрывы, большие объемы выбросов ядовитых веществ и т.п.).
1.4.Экологический кризис.
Глобальные экологические проблемы
Экологический кризис – это изменение биосферы или ее частей на значительном пространстве, сопровождающееся трансформацией среды и систем в новое качество. Современный экологический кризис носит глобальный характер, распространяясь в масштабе всей планеты.
Рассмотрим основные глобальные экологические проблемы, затрагивающие интересы всего человечества.
Проблемы, связанные с загрязнением окружающей среды. Проблемы загрязнения преимущественно носят локальный характер, однако некоторые виды загрязнения опасны и в глобальном масштабе. Прежде всего, сюда относятся проблемы озона, глобального потепления и кислотных осадков. Более подробно они рассмотрены ниже.
Истощение ресурсов. В первую очередь исчерпываются невозобновляемые ресурсы (полезные ископаемые). Так, запасы нефти могут быть исчерпаны через несколько десятилетий, некоторых металлов (цинка, меди, вольфрама, золота и др.) – через 100–200 лет. Возобновляемые ресурсы также могут быть исчерпаны. Например, леса могут быть уничтожены при вырубке, опережающей восстановление.
Нарушение биологического разнообразия. К началу 1990-х гг. (примерно за 300 лет) на Земле полностью исчезло 384 вида растений, 3 вида рыб, 113 видов птиц, 83 вида млекопитающих. Значительно большее количество видов находятся под угрозой исчезновения.
Демографические проблемы. Население Земли недавно превысило 6 миллиардов, оно увеличивается менее чем на 2 % в год. Это означает, что оно может удвоиться через 30–40 лет. Население особенно быстро увеличивается в развивающихся странах. В ряде государств (в том числе в России) численность населения уменьшается. Рост населения планеты приводит к увеличению истощения ресурсов и загрязнения окружающей среды.
Лекция 2 АНТРОПОГЕННОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ НА АТМОСФЕРУ
2.1. Состав и характеристики атмосферы
Атмосфера – газовая оболочка Земли массой около 5,9 1015 т. Около 75,5 % этой массы составляет азот (78 % от объема), 23 % (21 % от объема)
– кислород, около 1 % приходится на аргон, остальное – на оксиды углерода, водород и прочие газы. В атмосфере выделяются следующие слои [9]:
-тропосфера (высота от 7 км над полюсами, до 18 км над экватором, температура изменяется от +40 °С до −55 °С, в среднем на 6 °С на 1 км; в связи с большой плотностью воздуха в тропосфере сосредоточено до 80 % всей массы атмосферы);
-стратосфера (высота около 40 км, температура повышается от −50 °С до +10 °С, воздух разрежен, влажность небольшая, содержит основную часть атмосферного озона);
-мезосфера (высота около 30 км, температура понижается до −70 °С);
-термосфера (не имеет верхней границы, температура повышается до
+1600 °С).
Особенности атмосферы по сравнению с другими компонентами биосферы: высокая подвижность, изменчивость составляющих ее элементов, своеобразие молекулярных реакций, в которых могут участвовать инертные газы. Атмосфера является жизненной средой и выполняет функцию защиты жизни от воздействия открытого Космоса – защищает от метеоритов, дозирует поступление солнечной энергии, ультрафиолетовых и инфракрасных лучей и др.
Важнейшим параметром, определяющим масштабы распространения загрязняющего вещества (ЗВ) в атмосфере, является время его жизни в ней. Исходя из этого выделяются три типа ЗВ:
-приводящие к загрязнению в глобальном масштабе – выбросы веществ с большим временем жизни в атмосфере (годы или месяцы), способные распространяться по всей Земле независимо от места выброса (углекислый газ, фреоны, радионуклиды с периодом полураспада от 1 месяца);
-приводящие к загрязнению в региональном масштабе (регион может охватывать территорию нескольких государств) – выбросы веществ с временем жизни до нескольких суток, приводящие к загрязнению крупного региона (оксиды серы и азота, пестициды, тяжелые металлы);
-приводящие к загрязнению в локальном масштабе (на небольшой территории – например, на предприятии или в населенном пункте) – выбросы веществ с малым временем жизни (грубодисперсные аэрозоли, сероводород и др., а также некоторые представители предыдущего класса
вслучае выброса из низких источников).
2.2. Естественные и антропогенные источники загрязнения атмосферы
Основные естественные источники загрязнения атмосферы перечислены в табл. 1.
Таблица 1
Естественные источники загрязнения атмосферного воздуха
Источник |
|
Загрязняющие вещества |
|
|
Метеориты |
Космическая пыль |
|
|
|
Вулканы |
Оксиды |
серы, |
вулканическая |
пыль |
|
(мелкодисперсный пепел) |
|
||
Лесные пожары |
Окись и двуокись углерода, оксиды азота, |
|||
|
зола |
|
|
|
Пыльные бури |
Пыль |
|
|
|
Животные (жизнь) |
Углекислый газ |
|
|
|
Растения (жизнь) |
Углекислый газ, углеводороды, пыльца |
|
||
Растения, животные |
Метан, сероводород |
|
|
|
(разложение) |
|
|
|
|
Почва |
Пыль, вирусы |
|
|
|
Море |
Частицы морской соли |
|
Антропогенные источники выбросов отличаются большим разнообразием. Основной источник загрязнения – транспорт, на его долю приходится 38 % всех выбросов от антропогенных источников, что выше, чем доля любой из отраслей промышленности. Железнодорожный
транспорт занимает второе место по загрязнению атмосферы (25 % от общего объема выбросов всеми видами транспорта) после автомобильного (58 %) [18]. В крупных городах доля автотранспорта значительно выше: в Москве 80 %, а в Нью-Йорке и Лос-Анджелесе 90 %. Среди объектов промышленности около 27 % всех выбросов приходится на долю энергетики, включая выработку электроэнергии на ТЭЦ и тепловой энергии в котельных различной мощности. На втором месте – цветная металлургия (около 20 %), на третьем – черная (примерно 15 %) [9]. В выбросах антропогенных источников присутствуют практически все элементы таблицы Менделеева, но основными ЗВ являются оксиды углерода, серы и азота, углеводороды, пыль и зола.
Выбросы естественных источников по массе иногда превышают антропогенные, что послужило поводом для высказываний некоторых политиков относительно опасности естественного загрязнения. Так, в 1980-х гг. президент США Рональд Рейган доказывал, что основной причиной кислотных осадков является вулканическая деятельность, а мэр Денвера утверждал, что загрязнение городского воздуха в летний период вызвано деревьями [33]. Однако именно антропогенные выбросы создают наиболее существенную долговременную угрозу биосфере. Причина этого заключается в том, что выбросы естественных источников хорошо рассеиваются и происходят нечасто. Поэтому они обычно не приводят к существенному повышению концентрации ЗВ. Такая концентрация является фоновой (устойчивой). Антропогенные источники выбрасывают большие количества ЗВ в ограниченной области, поэтому их вклад в локальное загрязнение довольно значителен.
Антропогенные источники выбросов по подвижности подразделяются на стационарные и передвижные. Передвижные источники подразделяются на тяговые (автомобили, тепловозы, моторно-рельсовый транспорт, самоходная путевая техника и т.п.) и нетяговые (рефрижераторный подвижной состав, пассажирские вагоны с печным отоплением и др.)
Стационарные источники классифицируются следующим образом:
- по периодичности: постоянные (непрерывные) и периодические (залповые). Последние включают также аварийные выбросы;
-по организованности: организованные (дымовые трубы, аэрационные фонари, вентиляционные устройства) и неорганизованные (сварочные посты, станки и т.п.);
-по высоте: высокие (более 50 м), средней высоты (10–50 м), низкие (2–10 м) и наземные (до 2 м).
2.3. Негативное влияние загрязнения атмосферы
Влияние на здоровье человека. Воздействие загрязнение атмосферы на организм человека может иметь острый либо хронический эффект. В первом случае речь идет о кратковременном воздействии высоких концентраций ЗВ (например, вследствие залпового выброса), во втором – о длительном нахождении человека в загрязненной воздушной среде. В табл. 2 приведены сведения о воздействии основных ЗВ на организм человека [33].
|
|
Таблица 2 |
|
|
Влияние основных ЗВ на здоровье человека |
||
|
|
|
|
ЗВ |
|
Влияние на здоровье |
|
Оксид |
|
Острый эффект: головная боль, головокружение, |
|
углерода |
|
слабость, смерть |
|
|
|
Хронический эффект: воздействие на сердечно- |
|
|
|
сосудистую систему, быстрая утомляемость от |
|
|
|
физических нагрузок |
|
Оксиды серы |
|
Острый эффект: воспаление дыхательных путей, |
|
|
|
обострение астмы |
|
|
|
Хронический эффект: эмфизема, бронхит |
|
Оксиды азота |
|
Острый эффект: раздражение легких |
|
|
|
Хронический эффект: бронхит |
|
Зола, пыль |
|
Хронический эффект: раздражение дыхательной |
|
|
|
системы, рак (через бенз(а)пирен) |
|
Фотохимичес |
|
Острый эффект: раздражение глаз и дыхательных путей |
|
кие |
|
Хронический эффект: эмфизема |
|
окислители – |
|
|
|
озон, |
|
|
|
альдегиды |
|
|
|
Наиболее восприимчивы к загрязнению люди с заболеваниями легких и сердца. Оксид углерода особенно опасен для страдающих заболеваниями сердца, так как он активно соединяется с гемоглобином, что снижает
объем кислорода, переносимого кровью. Для того, чтобы клетки получили достаточное количество кислорода, сердце должно работать интенсивнее, что может вызывать сердечные приступы.
Риск от загрязнения воздуха для здоровья детей в шесть раз больше, чем для взрослых [33]. Это объясняется большей активностью детей, а следовательно, и большей интенсивностью их дыхания. Кроме того, дети чаще страдают от простуды и насморка и поэтому больше дышат ртом, что способствует попаданию в легкие большего количества ЗВ.
Влияние на растительность и животный мир. Наибольшую опасность для растений и животных представляют кислотные осадки – дождь и снег с повышенной кислотностью (рН < 7). Оксиды серы и азота, образующиеся при сгорании топливных ископаемых (нефти, угля, природного газа), соединяются с атмосферной влагой и образуют серную и азотную кислоты. Кислотные осадки являются глобальной экологической проблемой, они характерны для стран с длительными периодами отрицательных температур (Северная Америка, Европа, некоторые регионы России: Кольский полуостров, Красноярский край и др.). Особенно опасны такие осадки для озерных экосистем: так, в Швеции погибли рыба, водоросли и другие организмы более чем в 20 000 озер [33].
Помимо кислот, для растений большую опасность представляют озон и диоксид серы (SO2). Озон делает растения ломкими, что приводит к существенному ущербу зерновых культур. В США такой ущерб составляет около 10 млрд долларов в год [33]. Диоксид серы угнетает жизнедеятельность клеток растений, при этом листья сначала покрываются бурыми пятнами, а затем засыхают [3].
Исследования американских ученых показывают, что по причине загрязнения воздуха некоторые разновидности растений становятся более привлекательными для насекомых-вредителей. Листья выделяют фермент глютаминил-цистеинил-глицин, который предохраняет их от загрязнения, но также и привлекает насекомых, обычно не проявляющих интереса к этим растениям [33].
Влияние на материалы. Загрязнение воздуха наносит ущерб различным материалам (табл. 3).
|
|
Таблица 3 |
|
|
Ущерб материалам от загрязнения воздуха |
||
|
|
|
|
Материал |
Основные ЗВ |
Ущерб |
|
Металлы |
Диоксид серы, сероводород, |
Коррозия, потускнение |
|
|
пыль, зола |
поверхностей, потеря |
|
|
|
прочности |
|
Краска |
Диоксид серы, сероводород, |
Обесцвечивание, потеря |
|
|
пыль, зола, озон |
лоска, точечное |
|
|
|
повреждение |
Резина |
Озон |
Ослабление, трещины |
Камень и |
Диоксид серы, пыль, зола |
Обесцвечивание, эрозия |
бетон |
|
поверхностей, |
|
|
выщелачивание |
Кожа |
Диоксид серы |
Ослабление, порча |
|
|
поверхности |
Бумага |
Диоксид серы |
Хрупкость |
Текстиль |
Диоксид серы, озон, пыль, |
Загрязнение, выцветание, |
|
зола, диоксид азота |
потеря прочности ткани |
Керамика |
Фтористые соединения |
Ухудшение внешнего вида |
|
водорода, пыль, зола |
поверхности |
Глобальное потепление. В течение последних десятилетий на Земле наблюдается тенденция, называемая парниковым эффектом − повышение глобальной температуры, вызванное увеличением концентрации парниковых газов в атмосфере. Основной парниковый газ – диоксид углерода (СО2), кроме того, известно около 30 наименований таких газов: метан, хлорфторуглеводороды и др.
Парниковый эффект назван так потому, что CO2 и другие парниковые газы действуют подобно стеклу в теплице, пропуская солнечные лучи к Земле и замедляя исход инфракрасного излучения от ее поверхности. Основная причина увеличения выбросов СО2 − увеличение глобального потребления ископаемых топлив.
Модели глобального изменения климата показывают, что удвоение концентрации CO2 увеличит среднюю дневную температуру примерно с 2 до 5 °C. На первый взгляд, это незначительно, однако такое изменение может серьезно изменить глобальный климат. Многие территории станут слишком засушливыми, что приведет к значительному снижению продуктивности сельского хозяйства. США и Канада, главные экспортеры продовольствия на сегодняшний день, могут стать его импортерами. Глобальное потепление также приведет к таянию вечной мерзлоты и разрушению объектов, в том числе участков железных дорог, построенных на ней. Еще одно катастрофическое последствие глобального потепления – повышение уровня мирового океана вследствие таяния ледников и полярных льдов и расширения морей, происходящих вследствие повышения их температуры. К 2050 г., как ожидается, он повысится на 50100 см, а к концу ХХI века − на 180-210 см. Это приведет к затоплению значительных территорий, увеличению ущерба от штормов и обострению проблемы перенаселения в некоторых странах, вымиранию или сокращению популяций многих видов растений и животных.
Проблема озона. Одна сторона проблемы озона (О3) рассмотрена выше – это увеличение его концентрации в приземном слое вследствие фотохимических смогов. Другая сторона – это сокращение озонового слоя в стратосфере, которое приводит к резкому увеличению уровня ультрафиолетового излучения на Земле до пределов, которых могут не выдержать клетки живых организмов. Озоновый слой нарушается хлорфторуглеводородами, применяемыми в хладагентах, аэрозолях, растворителях и пенных огнетушителях. Эти вещества ускоряют разложение озона, сохраняясь в течение 50–200 лет. Большую опасность для озонового слоя создают высотные полеты ракет и самолетов.
2.4. Показатели количественной оценки загрязнения атмосферы
К ним относятся:
-фоновая концентрация веществ;
-предельно-допустимая концентрация загрязняющих веществ;
-предельно-допустимый выброс загрязнителей в атмосферу (для каждого источника выброса).
Под фоновой концентрацией загрязняющего вещества следует понимать количество загрязняющего вещества, содержащееся в единице объема природной среды, подверженной антропогенному воздействию.
Под предельно-допустимой концентрацией (ПДК) загрязняющего вещества понимается концентрация загрязняющего вещества в единице природной среды, которая не оказывает отрицательного (прямого или косвенного) воздействия на живой организм.
ПДК подразделяются на:
-среднесуточные (ПДКсс) – являются основными и служат для предотвращения хронического неблагоприятного действия;
-максимальные разовые (ПДКмр) – дополнительные к ПДКсс для веществ, обладающих запахом или раздражающим действием для оценки пиковых подъемов концентраций в течение 20–30 мин. Для ПДКсс и ПДКмр в крупных городах и курортах используется понижающий коэффициент 0,8;
-рабочей зоны (ПДКрз) – концентрации, которые при ежедневной (кроме выходных) работе человека продолжительностью не более 41 ч в неделю в течение всего рабочего стажа не может вызвать заболеваний или отклонений в состоянии здоровья. Под рабочей зоной понимают пространство в пределах 2 м от пола, где находятся места постоянного или временного пребывания работающих.