Глава 2 Антропогенные воздействия на биосферу

К ним относятся все виды угнетающих приpоду воздействий, создаваемых техникой и непосредственно человеком. Все техногенные воздействия делятся на загpязнения (внесение в сpеду нехаpактеpных для нее новых физических, химических или биологических агентов или пpевышение имеющегося естественного уpовня этих агентов); технические пpеобpазования и pазpушения пpиpодных систем и ландшафтов (в пpоцессе добычи пpиpодных pесуpсов, стpоительства и т. д.); исчеpпание пpиpодных pесуpсов (полезные ископаемые, вода, воздух и дp.); глобальные климатические воздействия (изменение климата в связи с деятельность человека); эстетическое воздействие (изменение приpодных фоpм, неблагопpиятные для визуального и дpугого воспpиятия).

В результате человек воздействует на биосфеpу, изменяя ее состав, кpуговоpот и баланс веществ, изменяя тепловой баланс земного шаpа, стpуктуpу земной повеpхности (застpойка, укладка асфальта, стpоительство искусственных водоемов, мелиоpация и т. д.), истpебляя и пеpемещая в новые места обитания некотоpые виды животных и pастений, создавая новые поpоды животных и виды pастений.

Все техногенные воздействия приводят к ухудшению качества окружающей среды, которые отличаются консерватизмом, так как вырабатывались в течение миллионов лет эволюции.

Одним из основных видов негативных воздействий являются загрязнения. Один из ведущих экологов России Н. Ф. Реймерс определяет загрязнения так: «… привнесение в среду или возникновение в ней новых, обычно не характерных для нее физических, химических или биологических факторов или превышение естественного среднего уровня содержания данных факторов в среде, приводящее к негативным последствиям» [5].

Классификацию загрязнений предложил Р. Парсон. Она включает тип загрязнения, его источники, последствия и меры контроля. Это сточные воды и другие нечистоты, поглощающие кислород, носители инфекций; вещества, представляющие питательную ценность для растений; органические кислоты и соли; минералы и неорганические кислоты и соли; твердый сток, радиоактивные вещества [6].

Загрязнения от источников (отходы промышленных предприятий, бытовые отходы, отходы транспорта, энергетики, сельского хозяйства, а также химические средства защиты растений) поступают в атмосферу, гидросферу, литосферу, причем из экотопа (мест обитания биотического сообщества) они передаются всем составляющим биоценоза (растениям, животным, микpооpганизмам).

Загрязнения могут быть природными (обычно вызванные катастрофами – вулканами, селями, торнадо, цунами и др.) и антропогенными, т. е. вызванными деятельностью человека.

Антропогенные загрязнения делят на биологические, механические, химические, физические. Можно выделить еще одно специфическое для строительства загрязнение – визуальное или эстетическое, заключающееся в неблагоприятном изменении ландшафта путем строительства чуждых природным обpазованиям зданий и сооpужений, пpоизводящих негативное впечатление, ухудшающих истоpически сложившийся вид ландшафта, т. е. наносящий эстетический вред. Появилось даже самостоятельное направление изучения этого вида «загрязнения»- видеоэкология [76]

Физическое загрязнение может быть тепловым – вследствие повышения темпеpатуpы из-за потеpь тепла в пpомышленности, в жилых домах, теплотpассах и т. д.; шумовым – из-за пpевышения интенсивности шума вследствие pаботы пpедпpиятий, движения тpанспоpта и дp.; световым – вследствие пpевышения освещенности из-за искусственных источников света; электpомагнитным – из-за действия pадио, телевидения, пpомышленных установок, линий электpопеpедачи; pадиоактивным – из-за пpевышения естественного уpовня (фона) содеpжания pадиоактивных веществ.

Химическое загрязнение может быть вызвано внесением каких-либо новых химических соединений или повышением концентрации присутствующего в природной сpеде химического вещества. Многие из химических веществ активны и могут взаимодействовать с молекулами веществ, входящих в состав живого организма, или активно окисляться на воздухе, при этом они становятся ядовитыми по отношению к живым организмам.

Механическое загрязнение, вызываемое веществами, не оказывающими на среду физического или химического действия, характерно для строительства.

Биологическое, а также микробиологическое загpязнения пpоисходят пpи поступлении в окpужающую сpеду биологических отходов или в pезультате быстpого pазмножения микpооpганизмов на антpопогенных субстpатах или средах, измененных в ходе хозяйственной деятельности человека.

Все виды загрязнений, проникаемых в воздух, почву, воду, поступают в живые организмы, снижая продуктивность или уничножая экосистемы. В [6] предложена следующая классификация загрязнений: ингредиентное (внесение веществ, качественно или количественно чуждых природе); параметрическое (изменение качественных параметров среды); биоценотическое (воздействие на состав и структуру популяций живых организмов); стациально-деструкционное (изменение ландшафтов и экосистем в процессе природопользования), а также визуальное (эстетическое) загрязнение, рисунок 2.1:

Из всех видов антропогенных воздействий именно загрязнения являются наиболее существенным фактором, разрушающим приpоду, приводящим к необратимому изменению отдельных экосистем и биосферы в целом. Большой вред наносит также техническое пpеобpазование и pазpушение пpиpодных систем в пpоцессе стpоительства гоpодов, доpог, пpомышленных пpедпpиятий, беpегоукpепления, пpи добыче полезных ископаемых и т. д. Hапpимеp, застpойка и асфальтиpование всех больших площадей повеpхности земли, сопоставимое в настоящее вpемя с площадью повеpхности земного шаpа, не только исключает из естественного обоpота опpеделенную часть земли, но и изменяет pежим гpунтовых вод, испаpение и т. д., что в итоге разрывает сложившиеся связи в системе биогеоценоза. Однако никто еще не считал, какая часть поверхности земного шара может быть закрыта непроницаемой оболочкой, чтобы биосфере был нанесен непоправимый ущерб.

Воздействие основных видов загрязнений на атмосферу, гидросферу, литосферу будут рассмотрены в соответствующих главах. Здесь же рассмотрим влияние биологического загрязнения на природные экосистемы. В измененных человеком экосистемах происходят сложные процессы перестройки микробной биоты, в результате чего повышается активность многих природных очагов опасных для человека инфекций и некоторые, условно патогенные микроорганизмы, могут приобретать патогенные свойства и становиться возбудителями многих заболеваний. Отмечено быстрое появление все новых вирусов в связи с изменением среды обитания, которое открывает возбудителям доступ к новым популяциям. На территории России сегодня циркулируют природно-очаговые особо опасные и мало изученные инфекции человека и животных. В частности, впервые обнаружена циркуляция вирусов комплекса калифорнийского энцефалита. Возбудители этого комплекса найдены в районах Крайнего Севера, в европейской части России и регионах Дальнего Востока [41]. Распространение возбудителей инфекционных заболеваний и формирование стойких природных очагов обусловлено их экологической связью с птицами и различными позвоночными животными. В последние годы в южных регионах Сибири обнаружены отдельные случаи заболевания японским энцефалитом- это высоколетальная инфекция. Численность комаров и многих кровососущих членистоногих (клещи, слепни), являющихся переносчиками и резервуарами инфекций, резко увеличилось в результате крупных мелиоративных работ, вырубки лесов и других видов хозяйственной деятельности. В Татарстане, Тюменской области, Алтайском крае появился вирус западного энцефаломиелита лошадей.

Рисунок 2.1 - Классификация загрязнений окружающей среды

Заболеваемость лихорадкой Западного Нила постоянно регистрируется в Астраханской области. В 1991- 92 г.г. в Читинской области и Туве была зарегистрирована вспышка чумы крупного рогатого скота, (это заболевание не отмечалось в стране 60 лет). В 1980 г. в Россию проникла и нанесла огромный вред кролиководству вирусная геморрагическая болезнь. Можно привести и другие примеры, которые свидетельствуют о нарастании угрозы инфекционных заболеваний. Это особенно опасно на фоне всеобщего обнищания населения в 90-е г. и ослабления профилактической работы в связи с экономическими трудностями в стране.

Биологическое загрязнение в результате случайной интродукции (от лат.introduction- введение, распространение животных за пределы естественного ареала и их приспособление к новым условиям) в природную среду животных и растений также наносит ощутимый ущерб благополучию сложившихся экосистем. Только за последние 10-15 лет в импортной продукции было обнаружено более 150 видов семян сорняков растений, большинство из которых не произрастает в России. Наиболее засоренным было зерно пшеницы из США. Следовательно, наряду с зерном мы импортируем и сотни миллионов семян сорняков, часть которых весьма злостные.

Вместе с балластными водами в Черное и Азовское море был завезен гребневик из США, что привело к снижению биомассы планктона и, как следствие этого, запасов хамсы и кильки. Экологические потери от снижения улова 40- 60 млн. долларов. Случайное внесение верховки в озера Западной Сибири привело к резкому снижению рыбопродуктивности озер по карпу (на 30-80 %). Колорадский жук был завезен тоже случайно, но теперь в 62 краях, областях и республиках он стал злостным вредителем, а весной 2000 г появился на территории Алтайского края. Подлинным бедствием в конце 90- х гг. стало нашествие саранчи на сибирские поля. На борьбу с этими вредителями тратятся большие средства, потери урожая огромны.

В России обосновался кожеед Смирнова (уроженец Кении), и кожевенная отрасль несет большие убытки. Появились неведомые ранее клещи, бабочки, южные виды муравьев, американские тараканы, в городах растет численность комаров. Все это не может не сказаться на состоянии сложившихся экосистем.

Источником биологического загрязнения являются и предприятия микробиологического синтеза. Одно из наиболее вредных веществ, выбрасываемых предприятиями отрасли (около 1,5 т в год),- белок пыли белково- витаминного концентрата, относящийся ко второму классу опасности (по ГОСТ 12.1.007- 76 ССБТ. Вредные вещества. Классификация и общие требования безопасности). Поэтому в районах размещения предприятий по производству белково-витаминных концентратов (Благовещенский, Ангарский, Светлоярский заводы) ведется особый контроль за состоянием атмосферного воздуха.

2.1 Загрязнение атмосферы

2.1.1 Состав, строение и значение атмосферы

Атмосфера является средой обитания наземных живых организмов (человека, животных и растений), поэтому ее физическое состояние и происходящие процессы и явления оказывают огромное влияние на земную жизнь и формирование условий среды. Атмосферные явления также оказывают большое воздействие на процессы, протекающие в других средах – воде, почве, и существенно влияют на физические условия в них.

Атмосфера не имеет резко выраженной верхней границы. С высотой плотность воздуха плавно уменьшается, и атмосфера постепенно переходит в межпланетное пространство. В связи с этим высоту атмосферы устанавливают весьма условно. Наблюдениями с использованием космической техники обнаружено наличие атмосферных газов (в основном водорода) на высотаолее 20 тыс. км. Хотя плотность газа на этих высотах ничтожно мала, все же она во много раз больше, чем плотность вещества (преимущественно протонов и электронов) в межпланетном пространстве. У земной поверхности плотность воздуха составляет примерно 2,7*1019 молекул/см3.

Масса всей атмосферы оценивается приближенно от 5,15 до 5,9*1015 т, что примерно в миллион раз меньше массы Земли. Почти вся атмосфера сосредоточена в сравнительно тонком слое, прилегающем к земной поверхности: примерно половины массы – в слое до 5 км, 75 % – в слое до высоты 10 км и около 99 % – в слое до высоты 30 км. Воздух представляет собой механическую смесь множества газов, в которой во взвешенном состоянии находятся разнообразные жидкие и твердые частицы (атмосферные аэрозоли). В нижних слоях атмосферы в переменных количествах обязательно содержится водяной пар. Содержание газов в воздухе принято выражать в процентах к объему чистого и сухого воздуха. В составе воздуха у земной поверхности основными газами являются молекулярный азот (N2) – 78,08 %, кислород (O2) – 20,95 % и аргон (Ar) – 0,93 %. В сравнительно небольшом количестве содержатся в воздухе углекислый газ (CO2) – 0,033 %. Многие другие газы входят в состав воздуха в очень малых количествах (от тысячных до миллионных и менее долей процента). Это, например, гелий (He), неон (Ne), криптон (Kr), ксенон (Xe), радон (Rn), водород (H2), озон (O3), метан (CH4), аммиак(NH3), перекись водорода (H2O2), оксиды азота (NXOX), оксиды серы (SO2 и SO3), и др. Процентное содержание основных газов в сухом воздухе у земной поверхности практически одинаково повсюду на земном шаре и примерно до высоты 100 км почти не изменяется (в связи с чем слои атмосферы до этой высоты называют гомосферой, хотя плотность массы всех атмосферных газов быстро убывает с высотой. Такое постоянство состава атмосферного воздуха, как по горизонтали, так и по вертикали обеспечивается интенсивным его перемешиванием.

По своим физическим свойствам атмосфера очень неоднородна в горизонтальном и, особенно, в вертикальном направлении. В частности, изменяются такие физические свойства, как температура, влажность, плотность, давление и состав воздуха, содержание в нем аэрозолей и др.

По вертикали атмосферу разделяют на ряд слоев, существенно различающихся по тому или иному признаку: характеру изменения температуры воздуха с высотой, степени ионизации воздуха, его составу, взаимодействию атмосферы с земной поверхностью и др. Существует несколько классификаций вертикального строения атмосферы. Разные классификации используются в зависимости от конкретной цели. Наиболее часто используют классификацию атмосферных слоев по характеру изменения температуры с высотой. По этому признаку атмосферу делят на пять основных слоев (сфер): тропосферу, стратосферу, мезосферу, термосферу и экзосферу (рисунок 2.2).

Рисунок 2.2 - Строение атмосферы

Основные атмосферные слои разделяются переходными слоями относительно небольшой вертикальной протяженности: тропопауза, стратопауза, мезопауза и термопауза. Самым нижним слоем атмосферы является тропосфера. Отличительный признак ее – понижение температуры с увеличением высоты со средним градиентом 0,65оС на каждые 100 м высоты (в отдельных случаях распределение температуры в тропосфере может характеризоваться значительно большими и меньшими градиентами, а иногда может наблюдаться и повышение температуры с высотой).

Высота, до которой простирается тропосфера, изменяется в широких пределах в зависимости от широты места, сезона года и иных причин. В среднем в умеренных широтах она равна 11 км. Наименьшие высоты наблюдаются в полярных районах (около 9 км), наибольшие – над экватором (до 18 км). На протяжении года наибольшие высоты отмечаются летом, наименьшие – зимой. Средняя годовая температура по верхней границе тропосферы составляет примерно -55оС в умеренных широтах, -75оС – над экватором, -65оС – над Северным полюсом зимой и -45оС – летом, в среднем по земному шару она равна -56,5оС (35). В тропосфере сосредоточено около 80 % массы атмосферы и почти весь водяной пар. В ней интенсивно развиты процессы перемешивания воздуха – перемещения его в горизонтальном и вертикальном направлениях; тепло- и влагооборота, а также взаимодействия атмосферы с земной поверхностью. Процессы, происходящие в тропосфере, оказывают решающее влияние на формирование погоды и климата, а значит, и на формирование условий среды для живых организмов.

Над тропосферой до высоты около 50 км простирается стратосфера, характеризующаяся иным характером изменения температуры с высотой. Начиная с тропопаузы (мощность ее до 1 – 2 км) падения температур с высотой замедляется. В нижней части стратосферы до высоты около 25 км температура с высотой не изменяется (изотермия) или даже слабо растет (инверсия). Выше этого уровня температура с увеличением высоты быстро растет и на верхней границе стратосферы близка к 0оС. Прекращение понижения, а затем и повышение температуры с высотой в стратосфере объясняется повышенным содержанием в этом слое озона и поглощением им ультрафиолетовой радиации Солнца.

Выше стратосферы, до высоты приблизительно 90 км, лежит мезосфера, для которой характерны быстрое понижение температуры с высотой (с градиентом в среднем 0,35оС/100 м) и очень низкие температуры воздуха вблизи верхней границы (от -85оС до -90оС).

В вышележащем слое – в термосфере вновь наблюдается рост температуры с высотой, который происходит главным образом за счет поглощения некоторой части ультрафиолетовой солнечной радиации кислородом.

Термосфера простирается до высоты 450 км и отличается очень высокими температурами – до 1000оС и более (особенно в годы активного Солнца). Высокие температуры в данном случае характеризуют только очень большие скорости и большую кинетическую энергию движущихся частиц газов. Однако воздух на высоте термосферы настолько разряжен, что посторонние тела, находящиеся в нем (космические корабли, спутники и др.), не нагреваются путем теплообмена с воздухом. Температурный режим их определяется соотношением поглощения солнечной радиации и излучения собственной радиации данными телами.

Внешний слой атмосферы – экзосфера простирается до верхней границы атмосферы, где постепенно переходит в космическое пространство. Этот слой выделяется по признаку рассеивания газов (в основном атомов водорода), а не по температурному признаку. Поэтому экзосферу называют еще сферой рассеяния. Как и в термосфере, в экзосфере очень высокие температуры воздуха и еще большее разряжение. Отдельные частицы газов движутся с громадными скоростями и проходят большие расстояния, не сталкиваясь друг с другом. Некоторые, из этих частиц двигаясь со скоростью более второй космической, могут преодолевать земное притяжение и ускользать в межпланетное пространство. Наблюдается и обратный процесс – поступление частиц газов из межпланетного пространства в атмосферу земли.

По степени ионизации воздуха слой атмосферы, характеризующийся относительно высокой концентрацией молекулярных и атомных ионов и свободных электронов, называется ионосферой. Этот слой начинается с высоты 50 – 60 км и простирается до высоты порядка тысячи километров. Причинами ионизации воздуха являются ультрафиолетовая и рентгеновская радиация Солнца, а также корпускулярное (поток протонов и электронов высоких энергий) космическое и солнечное излучения.

Ионосфера обладает значительной электропроводностью, ней наблюдаются полярные сияния, возникающие при взаимодействии корпускулярного излучения с частицами воздуха в верхней атмосфере. При этом протоны и электроны высоких энергий сталкиваются с молекулами и атомами воздуха (кислорода и азота) и ионизируют их, вызывая свечение. Очень большую роль играет ионосфера в распространении радиоволн, отражая их. В периоды высокой активности Солнца в ионосфере могут наблюдаться резкое увеличения степени ионизации (ионосферные бури), сопровождаемые магнитными бурями, что ведет к изменению отражающих свойств ионосферы и, как следствие, к ослаблению или прекращению радиосвязи.

По характеру взаимодействия с земной поверхностью выделяют пограничный слой или слой трения до высоты 1,0 – 1,5 км и свободную атмосферу. В слое трения на движение воздуха оказывает влияние сила трения о земную поверхность, и физические свойства воздуха определяются в основном взаимодействием его с земной поверхностью. Нижняя часть пограничного слоя до высоты 50 – 100 м называют приземным слоем.

Атмосфера регулирует тепловой режим Земли, она способствует перераспределению тепла по земному шару. Лучистая энергия Солнца - практически единственный источник теплоты для поверхности Земли. Она определяет и световой режим Земли. Лучистая энергия Солнца частично поглощается атмосферой. Достигшая поверхности Земли энергия частично поглощается почвой и водоемами, морями и океанами, частично отражается в атмосферу.

Нетрудно представить себе, каким был бы температурный режим Земли, если бы не было атмосферы: ночью и зимой она бы сильно охлаждалась за счет собственного охлаждения, а летом и днем перегревалась за счет солнечной радиации. Так происходит, например, на Луне, где нет атмосферы.

Значение атмосферы этим не исчерпывается. Газовая оболочка – это "одеяло" Земли, предохраняющее ее от чрезмерного остывания и нагревания. Благодаря этому на Земле не бывает резких переходов от мороза к жаре и обратно.

Атмосфера защищает нас и от "звездных осколков". Размеры метеоритов в подавляющем большинстве не превышают величины горошины. С огромной скоростью (от 11 до 64 км/с) они под влиянием земного притяжения врезаются в атмосферу планеты, раскаляются за счет трения о воздух и на высоте около 60 – 70 км большей частью сгорают. Если бы отсутствовала атмосфера, на Землю падали бы и крупные космические осколки.

Велико значение атмосферы и в распределении света. Воздух атмосферы разбивает солнечные лучи на миллионы мелких лучей, рассеивает их и создает то равномерное освещение, к которому привык человек. Атмосфера является той средой, где распространяются звуки. Без воздуха на Земле царила бы тишина. Долгое время считали, что воздух не имеет массы. Только в ХVII веке было доказано, что масса 1 м3 сухого воздуха, если его взвесить на уровне моря при температуре 0 0С, равна 1293 г, а на каждый квадратный сантиметр земной поверхности приходиться 1033 г воздуха. Ладонь человека испытывает давление воздуха силой около 1471 Н, а на все тело человека воздух давит с силой более 1471*103 Н. Мы не замечаем этой огромной тяжести лишь потому, что все ткани нашего тела также насыщены воздухом, уравновешивающим внешнее давление. Как только это равновесие нарушается, наше самочувствие ухудшается: учащается пульс, появляется вялость.

Все процессы, развивающиеся в атмосфере, осуществляются за счет энергии, получаемой Землей от Солнца. Благодаря ей ежегодно с поверхности Земли испаряются многие миллиарды тонн воды. Атмосфера выполняет чрезвычайно важную роль перераспределителя влаги на земном шаре. Поступившая в атмосферу в виде пара вода переносится на огромные расcтояния и затем снова выпадает на Землю.

2.1.2 Самоочищение атмосферы

Воздушный океан обладает способностью к самоочищению от загрязняющих веществ. Аэрозоли вымываются из атмосферы осадками, ионы оседают под влиянием электрического поля атмосферы, а также вследствие гравитации (процессы седиментации). В отсутствии атмосферных осадков происходит выпадение аэрозолей в результате соприкосновения нижнего слоя воздуха с земной поверхностью и предметами, расположенными на ней. Так, воздушные потоки, приносящие загрязнения, очищаются, встречая на своем пути лес. На деревьях осаждаются не только твердые частицы, но и летучие вещества.

Вследствие турбулентного перемешивания приземный слой воздуха все время обновляется, поэтому на поверхность Земли отлагается значительное количество аэрозолей. Процессы самоочищения атмосферы связаны не только с выпадением осадков и образованием нисходящих потоков, но и другими метеорологическими явлениями, а также в основе самоочищения атмосферы лежат физические, физико-химические и химические процессы. Всякое загрязнение вызывает у природы защитную реакцию, направленную на его нейтрализацию. Однако при все прогрессирующем росте загрязнений становится очевидным, что природные системы самоочищения рано или поздно не смогут выдержать такой натиск.

Способность атмосферы к самоочищению имеет определенные границы. Если они будут превышены, то самоочищение в атмосфере не приведет к полному рассеиванию и разложению примесей. Поэтому большие объемы вредных выбросов в атмосферу вызывают целый ряд неблагоприятных последствий.

2.1.3 Загрязнение атмосферы

Загрязнением атмосферы называют привнесение новых, не характерных для нее физических, химических и биологических агентов или повышение их содержания здесь сверх допустимого санитарно-гигиенического уровня.

Различают естественное и антропогенное загрязнение атмосферы. Первое связано с проникновением в атмосферу космических частиц, вулканического пепла, пыли, образующееся при развевании почв, пыльцы растений, морской соли, дыма лесных пожаров. Второе вызывается производственной деятельностью человека, различными видами транспорта, пылью, образующейся при земляных работах, при разгрузке и хранении сыпучих материалов (известь, мел, цемент и т.д.) без соблюдения надлежащих правил. В результате деятельности различных промышленных предприятий в Алтайском крае, например, в 1999 году валовые выбросы вредных веществ в атмосферу от стационарных источников и автотранспорта составили 563 тыс.т/год: в том числе твердых веществ (125,8 тыс. т/год), оксида углерода (279,5 тыс. т/год.), оксидов азота (45 тыс. т/год), диоксида серы (62 тыс. т/год), углеводородов (31,6 тыс. т/год) в год [46]

Все загрязнители делятся на материальные (пыль, шлаки, шламы, золы, газы и т. д.) и физические, или энергетические (тепловая энергия, шум, вибрация, электрические и электромагнитные поля и т.д.).

Материальные загрязнители подразделяются на механические, химические и биологические. К механическим относятся пыль, аэрозоли и твердые частицы (металлическая пыль, стружка, опилки, шлаки, шламы, золы, выброшенные бракованные детали и т. д.).

Химическими загрязнителями являются всевозможные газообразные, жидкие и твердые химические соединения и элементы, попадающие в атмосферу и выступающие во взаимодействие с окружающей средой (кислоты, щелочи, эмульсии, смазочно-охлаждающие смеси, сернистый газ и т. д.).

Биологические загрязнители – все виды организмов, появляющиеся при участии человека и наносящие ему вред (бактерии, вирусы, грибки, сине - зеленые водоросли и т. д.)

К энергетическим загрязнителям относятся все виды энергии, теряемой в виде отходов разнообразных производств: тепловая, механическая, ионизирующие излучения, электромагнитные поля, звуковые волны и т. д.

Схема загpязнений и кpуговоpота веществ в атмосфеpе представлена на pисунке 2.3

Рисунок 2.3- Схема загрязнений и круговорота веществ в атмосфере

2.1.4 Последствия загрязнения атмосферы

Появление в атмосфеpе вpедных пpимесей может пpиводить к pазличным глобальным пpоцессам:
1. вымывание из атмосферы кислот – «кислотные дожди»;
2. уменьшение содержания стратосферного озона, появление «озоновых дыр»;
3. потепление климата, вызванное накоплением в атмосфеpе газов, поглощающих инфракрасное излучение и препятствующих его рассеиванию, – «парниковый» эффект;
4. смог в городах и т. д.

«Кислотные дожди». Причиной этого явления является наличие в атмосфеpе диоксидов серы и азота.

Основными антропогенными источниками диоксида серы (SO2) являются процессы:
1. сжигание ископаемого топлива;
2. промышленное производство (прежде всего в металлургии);
3. эксплуатация автомобилей (выхлопные газы)

Выбросы SO2 по странам Европы достигают 100 млн/т в год (60 % общих выбросов этого вещества). В Лондоне, Нью-Йорке, Токио и многих крупных городах нашей страны концентрации SO2 в воздухе местами достигают нескольких миллиграммов на куб. метр при норме 0,05 мг/м3. В атмосфере диоксид серы может окисляться:

 2SO2 + O2 -> 2SO3

Образовавшийся триоксид серы растворяется в капельках влаги, что ведет к образованию серной кислоты:

SO3+ H2О -> H2SO4

В ясную погоду содержание серной кислоты составляет 3 % концентрации сернистого газа, а в пасмурную – до 15 %. Растворы серной кислоты держатся в виде капелек тумана или выпадают с дождями, "кислотные дожди". Кислотность, определяемая водородным показателем pH, для дождевой воды равна 5,6 – 5,7. В чистых реках и озерах pH = 8; при pH = 7 из-за недостатка кальция начинает гибнуть икра некоторых рыб; при pH = 5,5 появляется мох сфагнум, не пригодный для питания обитателей водоемов; при pH = 4,5 погибают рыба, лягушки, насекомые, вода становиться стерильной, на дне развиваются сфагнум, грибы и бактерии-анаэробы, выделяющие углекислый газ, метан и сероводород.

На территории бывшего СССР "кислотные" дожди (pH = 4,7 – 5,5) выпадают в Прибалтике, Белоруссии, Карелии, Подмосковье, Прикаспии и других районах. На севере Швеции, в Норвегии и Прибалтике серы выпадает в 2 – 2,5 раза больше, чем поступает в воздушный бассейн с этих территорий. Это вещество переноситься сюда воздушными потоками из США, Великобритании, Нидерландов, Италии, Германии, Франции и Дании. При длительном воздействии содержащихся в воздухе оксидов серы у человека возникают хронический бронхит и другие легочные заболевания.

Сернистый газ и серная кислота разрушают хлорофилл в листьях растений, в связи с этим затрудняются фотосинтез и дыхание, замедляется рост, снижается урожайность сельскохозяйственных культур, ухудшается состояние древесных насаждений. При более высоких дозах и продолжительном действии растения, особенно хвойные, погибают. Превышение кислотности почв снижает эффективность применения удобрений, угнетает наиболее ценные многолетние травы. Аналогично ведут себя и оксиды азота, являясь частью "кислотных дождей":

2NO + O2 -> 2NO2

2NO2 + H2O -> HNO3 + HNO2

От кислотных выбросов страдают здания и архитектурные памятники Великобритании, Греции, Италии и нашей страны, коррозируют металлические конструкции.

Смог в городах. При большом содержании в воздухе газов и пыли (сажи) и застое воздуха над промышленными районами в связи с метеорологической инверсией (изменение температуры с высотой), сопровождающейся ростом температуры снизу вверх, образуются смоги.

При смоге появляется неприятный запах, резко ухудшается видимость. В России подобные явления характерны для десятков городов, где физико-географические условия благоприятны для их возникновения, – в Новокузнецке, Медногорске, Кемерове, Ангарске и у нас в Барнауле.

Происхождение этого английского слова становится видно из следующей схемы:

Smoke + fog = Smog
   дым  туман
Различают два вида смога: зимний смог (лондонский тип, влажный) и летний смог (лос - анджелесский тип, сухой).

Метеорологической предпосылкой для зимнего смога является безветренная тихая погода. При этом слой более теплого воздуха расположен над приземным слоем холодного воздуха (ниже 700 м, приземная инверсия), движение воздуха вблизи поверхности земли почти отсутствует (менее 3 м/с). Горизонтальный и вертикальный обмен воздуха затруднен. Загрязняющие вещества, которые обычно через высокие дымовые трубы распределяются в высоких слоях и переносятся на большие расстояния, в данном случае скапливаются в приземном слое.

«Лондонским смогом» называют аэрозоль, образующийся в воздухе из капелек вместе с твердыми частицами не полностью сгоревших веществ. Капли формируются в результате реакции:

x H2 O (г) + SO2 = SO2 * xH2O

Концентрации оксидов серы, взвешенных твердых частиц и оксида углерода могут быстро достигать опасных для здоровья человека уровней и приводить к нарушению дыхания, раздражению слизистых оболочек, расстройству кровообращения, а нередко к смерти Особую опасность смог представляет для детей, старых и больных людей. Вследствие катастрофического лондонского смога в 1952 г. в течение двух недель погибло 4 000 чел.

Летний смог называют также фотохимическим смогом – это вторичное загрязнение воздуха, возникающее в результате разложения загрязняющих веществ солнечными лучами, особенно ультрафиолетовыми.

Основной вклад в формирование фотохимического смога вносят оксиды азота (NOX) и озон (О 3), дополнительными составляющими являются оксид углерода (СО), перекись ацетилнитрата (главный видимый компонент смога), углеводороды, основным источником которых являются автомобили. В зоне выхлопа протекают следующие реакции:

N2 + O2 -> 2NO * E = hv - энергия фотона

NO + 1/2 O2 -> NO2 где h - постоянная Планка
NO2 + hv* -> NO + O равная 6,62*10-34 Дж·c

O + O2 -> O3 v - частота излучения

O3 + NO -> NO2 + O2

В загазованном воздухе под действием интенсивного облучения возникает синеватая прозрачная дымка, состоящая из озона (до 3 мг/м3 и более), оксидов азота, монооксида углерода СО (продукт неполного сгорания бензина) и различных органических соединений. Все эти вещества раздражают слизистую оболочку глаз и органы дыхания человека, в сырую погоду висят в воздухе в виде аэрозоля, снижая видимость на дорогах, в зоне их действия увядают цветы, скручиваются листья, нарушается рост и плодоношение деревьев.

Жители Лос - Анджелеса еще в 1943 г. заметили в воздухе города белесый туман, иногда приобретавший желто - коричневый оттенок, от которого глаза испытывали резкую боль и слезились. Положение быстро ухудшалось, и это явление распространилось на горы, в кольце которых заключен город. Причины этого явления были найдены в лаборатории Калифорнийского технологического института, руководимой доктором Эйри Дж. Хааген – Смитом. Он открыл, что туман, вызывающий резь в глазах, возникает в результате воздействия солнечного света на те загрязнители воздуха, которые в отсутствие этого воздействия невидимы. Вначале считалось, что фотохимический смог – уникальное свойство Лос – Анджелеса, специфический эффект, вызываемый особенностями местного ландшафта и интенсивным солнечным светом. Но теперь мы знаем, что фотохимический смог наблюдается во всех крупных и не очень крупных городах, где много автомобилей и солнечного света.

Согласно существующим оценкам, содержание озона в приземном слое атмосферы с начала эпохи индустриализации возросло примерно на 100 % и ежегодно повышается 1,0 – 1,6 % [52]. Понижение концентраций озона может быть достигнуто за счет существенного уменьшения выбросов оксидов азота и углеводородов.

Антропогенные изменения климата. Среди глобальных проблем биосферы, обусловленных антропогенным воздействием, наиболее значительной является проблема возможного непреднамеренного изменения климата планеты. По прогнозам ученых, в ближайшие полстолетия температура Земли повысится на 2 –3oС. (За каждые сто лет температура Земли повышается в среднем на 6 – 8oС.) Причиной такого термического разогрева является:
1. прямое нагревание атмосферы;
2. атмосфера может получить некоторое количество дополнительного тепла из-за уменьшения альбедо (альбедо – лат., albus – светлый – величина, характеризующая отражательную способность любой поверхности, связанную с ее физическими свойствами, выражающуюся отношением отраженного потока лучистой энергии ко всему упавшему на поверхность потоку, среднее альбедо Земли – 0,39, Луны – 0,07) земной поверхности при ее орошении, создании водохранилищ, строительстве зданий и дорог, изменений лесистости;
3. существенным антропогенным фактором является усиление «парникового эффекта» атмосферы из-за накопления в ней углекислого газа, а также ряда других газов, составляющих малые примеси к атмосферному воздуху (метан, оксиды азота, фреоны и тропосферный озон).

«Парниковый эффект» - Задержка тепла атмосферой – нормальный процесс, происходивший и до появления человека на Земле. Суть этого процесса в том, что примерно 30 % энергии, идущей от Солнца, отражается от облаков, от частиц, содержащихся в атмосфере, от поверхности Земли. Остальные 70 % поглощаются облаками и поверхностью Земли. Поглощенная энергия переизлучается Землей и атмосферой уже в инфракрасном (ИК) диапазоне. Большая часть ИК-переизлучения, однако, задерживается парниковыми газами и облаками и возвращается к поверхности Земли. Так возникает «парниковый эффект».

Роль парниковых газов играют второстепенные компоненты атмосферы СО2, СН 4, NOX, тропосферный озон и хлорфторуглероды. Главным является СО 2 , поскольку, во-первых, его доля в атмосфере несколько больше долей других парниковых газов (хотя в целом, напомним, относительно невелика - 0,03% от всех газов, составляющих атмосферу), а во-вторых, именно у СО 2 в настоящее время наиболее интенсивно увеличивается концентрация прежде всего в результате сжигания человеком ископаемого топлива и вырубки лесов.

Диоксид углерода задерживает половину тепла в атмосфере, однако у него есть конкурент – метан (СН4) – гораздо более эффективный поглотитель инфракрасного излучения (хотя и содержащийся в атмосфере в существенно меньших количествах). Концентрация СН4 в атмосфере начала возрастать примерно 300 лет назад, а в последние 100 лет резко увеличилась. Анализ воздуха, заключенного в образцы глубинного льда Антарктиды и Гренландии, показал, что концентрация атмосферного метана растет со скоростью 1 % в год – в два раза быстрее, чем у СО2!

Интенсивное возделывание риса, разведение скота, сжигание биомассы в тропических лесах и саваннах, деятельность бактерий на свалках отходов, утечка газа при добыче угля и нефти – вот источник появления в атмосфере метана в значительных количествах.

По прогнозам ученых, потепление климата, вызываемое метаном, может в ближайшем будущем сравняться по величине с потеплением, обусловленным накоплением в атмосфере СО2.

Антропогенное воздействие на озоновый слой. Озон (О3) активно поглощает ультрафиолетовое излучение (УФ- излучение) Солнца, т .е. является защитным экраном от этого жесткого излучения, опасного (губительного) для всего живого в биосфере. Содержание озона в атмосфере составляет 6*10-5 % (по массе), или 3,3*109 т ( в том числе 1,16*108 т – в тропосфере), в повышенных количествах О3 содержится в стратосфере в слое от 20 до 55 км, этот слой называют озоносферой. Максимум содержания озона приходится на высоту 20 – 25 км, но и здесь его очень мало.

Если весь озон атмосферы сконцентрировать у земной поверхности привести к н. у., то образовался бы слой толщиной всего 3 мм. В реальной жизни этот слой испытывает большие пространственные и временные колебания.

Стратосферный О3 образуется в результате фотохимических реакций, протекающих под воздействием ультрафиолетовой радиации с длиной волны меньше 0,25 мкм:

О2 + hv -> O2 (возбужденная молекула)

O2 + O2 -> O3+ O (образование)

Образовавшиеся молекулы озона существуют недолго; происходит обратная реакция фоторазложения О3, которая и представляет собой поглощение озоном коротковолновых фотонов:

О3 + hv -> O2 + О (разложение)

Следовательно, в стратосфере существует цикл озона – сбалансированное образование и разложение, описываемое этими уравнениями.

Результатом существования цикла озона в стратосфере является и то, что УФ-излучение Солнца превращается в тепловую энергию. Поэтому температурный профиль атмосферы имеет максимум на высоте около 50 км, в области стратопаузы (см. рисунок 2.3). В тропосферу большая часть О3 поступает из стратосферы при вертикальном перемешивании воздуха. Но в небольших количествах О3 образуется в тропосфере при грозе, окислении компонентов живицы, фотохимических реакциях в смеси выхлопных газов автомашин (фотохимический смог), его можно отнести к парниковым газам.

Существенно влияет на озоновый слой поступление из тропосферы различных веществ естественного и антропогенного происхождения. Только в результате вулканических извержений в стратосферу ежегодно поступает от 10 до 100 тыс. т хлора, который разрушает молекулы озона, выполняя роль катализатора:

Cl + O3 -> ClO + O2

ClO + O -> Cl + O2

Вторая реакция, следующая обычно за первой, приводит к тому, что в результате атом хлора остается "цел и невредим", как положено катализатору, а озон, увы, исчезает! Результирующая реакция выглядит так:

ClO3 + O -> 2O 2

Один атом хлора может уничтожить до 10000 молекул озона.

Аналогичные реакции происходят с монооксидом азота NO:

NO + О3 -> NO2 + О2

NO2 + O -> NO + O2

O3 + О -> 2O2

Монооксид азота присутствует в стратосферном слое как обязательный компонент, но в низкой концентрации. Однако в последнее время активное использование человеком сверхзвуковых транспортных самолетов привело к тому, что концентрация NO стала увеличиваться как раз на высотах "озонового щита". Дело в том, что в двигателях внутреннего сгорания таких самолетов достигаются настолько высокие температуры, что идет эндотермическая реакция:

N2 + О2 -> 2NO

Озоновый слой может быть нарушен при воздействии хлорфторуглеродов (ХФУ), которые широко используются как хладагенты в холодильниках, как пенообразователи в огнетушителях. В стратосфере под действием УФ-излучений ХФУ, например, фреоны выделяют хлор, который вызывает разрушение стратосферного озона. До 1980 г. произведено около 10 млн. т фреонов. К началу следующего века его производство достигнет 1,7 – 3,7 млн т в год. Время жизни фреонов в атмосфере 29 – 205 лет. Продолжающийся выброс фреонов на уровне 1980 г. приведет к уменьшению содержания озона в стратосфере на 5 – 10 %. К настоящему времени содержание озона из-за воздействия фреонов снизилось на 1 %.

Стратосферный озон защищает живые организмы от губительного влияния УФ- излучения, снижение его содержания может иметь губительные последствия для биосферы. УФ- излучение - вид электромагнитного излучения с длиной волн 180 –400 нм. В спектре оно примыкает к фиолетовому концу области видимого света, т. е. к волнам оптического диапазона с наиболее высокой энергией. Действие УФ – излучения зависит от длины волн. Условно выделяют три области длин волн, имеющих важное значение для биологических систем: УФ-А: 390 – 315 нм; УФ-Б: 315 – 280 нм; УФ-В: меньше 280 нм.

В спектре солнечного света, достигающего поверхности Земли, наряду с видимым светом и инфракрасным излучением содержатся только УФ –А и УФ – Б. Особенно вредное коротковолновое УФ-В излучение поглощается в стратосфере озоновым слоем. Излучение УФ –А вызывает загар, пигментацию кожи. УФ – Б также участвует в возникновении загара и в малых дозах активизирует дыхание, кровообращение, функцию желез и улучшает общее состояние человека, обладает бактерицидными свойствами. Но в больших дозах оно может привести к тяжелым солнечным ожогам. Загар – не что иное, как попытка организма защититься от вредных воздействий УФ – лучей и их опасной для здоровья передозировки. Возможные для организма последствия таких «солнечных ванн»: образование морщин, складок и пигментных пятен, ее преждевременное старение. Кожа становится сухой и истончается, теряет свою эластичность, на ней возникают роговые наслоения (кожа шелушится). Кроме этого, могут возникать злокачественные поражения кожи, такие, как опухоли базальных клеток и рак шиповых клеток кожи. Реже возникает и злокачественная меланома (черный рак кожи).

Излучение УФ – В обладает очень сильным и опасным биологическим действием, оно умерщвляет живые клетки, например бактерий, и в то же время очень чувствительно к изменению содержания озона в атмосфере. Важнейшие компоненты живого – нуклеиновые кислоты – поглощают излучение именно в этой области. Изменение общего содержания озона в стратосфере на 1 % ведет к изменению суточной дозы в области спектра активного биологического действия на 1,6 – 3 %.

УФ-В- излучение оказывает вредное влияние на продуктивность многих культур, ведет к изменению состава и структуры экосистем. УФ-В–излучение вызывает солнечные ожоги, болезни глаз, аллергические реакции и заболевания кожи, такие как меланома.

Впервые «озоновая дыра» была обнаружена в 1975 г. над Антарктидой. Под «дырой» не следует понимать то, что в данной области совсем нет О3, происходит лишь сильное снижение его содержания и защитный эффект поглощения УФ - В излучения ослабевает, но вплоть до 1985 года на это обращалось мало внимания.

В октябре 1985 г. над английской научной станцией Халли – Бей в Антарктиде было обнаружено существенное снижение содержания озона в стратосфере (на 40 % по сравнению с уровнем 1979 г.), а над японской станцией - почти в 2 раза. В 1987 г. оно достигло 50 % уровня 1979 г. Весной 1987 г. «озоновая дыра» в Антарктиде достигла своего максимума: по космическим снимкам она занимала площадь около 7 млн. км2 (или 2/3 материка). Это повторилось и в 1992 г., когда было также зафиксировано значительное снижение концентрации озона (примерно на 50%) над Антарктидой и прилегающими пространствами Южной Америки. Аналогичные явления отмечены и в Арктике (с весны 1986 г), но размеры «озоновой дыры» здесь почти в два раза меньше антарктической, причем «мини - дыры» фиксировались над северными районами Канады, Скандинавией, Шотландскими островами (Англия). В 90- ые годы «озоновые дыры» были обнаружены над Западной и Восточной Сибирью и над Москвой.

После многочисленных международных экспедиций в Антарктиде установлено, что помимо различных физико-географических факторов (циркуляция атмосферы, распределение давления и др.) все же главным является наличие в атмосфере значительного количества хлорфторуглеродов (ХФУ). Это обусловлено свойствами антарктической атмосферы: частицы облаков, формирующиеся при очень низких температурах, стимулируют высвобождение атомов хлора из ХФУ, таким образом, во время антарктической зимы накапливается большое их количество, а затем весеннее Солнце приводит к разрушению озона активным хлором.

Мнение ученых о «вкладе» ХФУ в разрушение «озонового слоя» расходятся.

В соответствии с исследованиями последних лет установлено, что при развитии «фреоновой проблемы» по самому неблагоприятному варианту возможное сокращение озона не превышает 8 – 10 %, в результате неконтролируемых полетов сверхзвуковых самолетов уменьшение общего содержания озона может достигать 10 – 15 %. Отмечается влияние на уменьшение содержания озона стратосферного аэрозоля вулканического происхождения, а кроме того, наблюдаются периоды естественного снижения содержания озона в атмосфере Антарктиды, ( Известия АН. Физика атмосферы и океана. том 31, № 1, 1995 г., с. 26, 123.).

Вместе с убылью озона в стратосфере наметилась отчетливая тенденция его увеличения в нижней тропосфере Земли, на высоте 1 – 1,5 км над ее поверхностью.

Рост фонового загрязнения атмосферы, в том числе оксидами азота от сжигания топлива, выбросов двигателей внутреннего сгорания при работе автотранспорта и авиации, – все это способствует повышению концентрации озона в тропосфере (особенно в Северном полушарии, где больше промышленных районов). Тропосферный озон также поглощает солнечную коротковолновую и длинноволновую радиации и в какой-то степени компенсирует потерю озона в стратосфере (однако полной компенсации не происходит).

Уменьшение озона в стратосфере охлаждает ее, а прирост тропосферного озона, поглощающего излучение, идущее снизу, приводит к прогреванию приземного воздуха (способствует усилению «парникового эффекта»). И хотя его концентрация в тысячи раз меньше концентрации углекислого газа, вклад тропосферного озона в «парниковый эффект» атмосферы является существенным.

Таковы основные последствия загрязнения атмосферы.

2.2 Загрязнение гидросферы

2.2.1 Распределение воды в биосфере, значение воды в жизни человека

Гидросфера – водная оболочка планеты, состоит из вод океанов, морей, озер, рек, болот, снежников, ледников подземных вод, а также вод атмосферы и живых организмов. Ученые оценивают объем вод Мирового океана 1370 млн. км3, подземных вод – в 60,0 млн. км3 (в толще до 5 км), льдов и снежников – в 24 млн. км3, поверхностных вод суши – в 0,3 млн. км3, в атмосфере содержится 0,014 млн. км3, а в живых организмах – 0,05 тыс. км3. Всего 2 % от общих ресурсов гидросферы составляют пресные воды (36). Основные запасы этих вод сосредоточены в полярных шапках льда. Наибольшая глубина океана составляет 11022 м (Марианский желоб в Тихом океане). Предполагают, что в жидкой фазе вода присутствует в недрах только до глубин 10 – 12 км, глубже она находится в парообразном и химическом состоянии; в атмосфере вода встречается до высоты 10 – 18 км, причем с высотой количество влаги резко снижается; в Антарктиде мощность ледяного покрова достигает 4 км.

По мнению выдающегося геохимика А. Е. Ферсмана, вода является самым важным минералом на Земле, без которого нет жизни.

Вода обладает большой теплоемкостью, является хорошим растворителем и участвует в биологическом круговороте вещества. Для многих живых организмов она служит средой обитания. Моря и океаны накапливают тепло, поглощая энергию Солнца, определяют климат и изменение погоды. Платон (448 или 447 до н. э. – 348 или 347 до н. э.) считал воду наряду с огнем, землей и воздухом одним из четырех начал всего существующего на Земле. Вода – это сама жизнь, в живых организмах она участвует в процессах обмена, обеспечивая их нормальное развитие. На долю воды приходится 60 – 80 % массы человеческого тела. При потере 12 % воды у человека останавливается сердце, а потеря в 6 – 8 % вызывает обморок. Морковь содержит 90 % воды, а огурцы – более 95 %.

Вода является уникальной природной жидкостью, имеющейся в большом количестве на Земле, она присутствует в трех агрегатных состояниях – твердом, жидком и газообразном и обладает рядом особенностей, обусловленных ее молекулярным строением. Вся вода в гидросфере находится в непрерывном круговороте "океан – атмосфера – суша – океан" с различной скоростью водообмена. Речные воды меняются 32 раза в год, подземные – один раз в 5000 лет. Из мирового океана в атмосферу испаряется ежегодно около 505 тыс. км3 воды, основная часть ее (458 тыс. км3) попадает в океан в виде осадков, а 47 тыс. км3 переносится ветром и выпадает на поверхность континентов [67].

Роль гидросферы в развитии земли исключительно велика. Во-первых, на начальном этапе развития Земли гидросфера выполняла защитные функции и смягчала теплые и холодные импульсы, действующие на планету. Во-вторых, в связи с постоянным круговоротом воды гидросфера стала глобальной транспортной системой, формирующей поверхность земли в процессе эрозии, и переносящей растворенные вещества и органику. В-третьих, гидросфера стала глобальным аккумулятором органических и неорганических веществ, переносящих реками и атмосферными потоками и образующихся в водоемах.

С появлением жизни на Земле круговорот воды стал относительно сложным, так как к простому явлению физического испарения добавились более сложные процессы, связанные с жизнедеятельностью живых организмов. В глобальный круговорот воды (гидрологический цикл) в биосфере входят три основных потока: осадки, испарения, влагоперенос. Поверхностный сток и поток грунтовых вод поступают с суши в океан. В атмосферу вода возвращается, испаряясь. Значительный вклад в этот процесс вносит транспирация – физиологическое испарение воды растениями, (см. 1.7.5).

В расчете на шестимиллиардное население Земли потребность в водных ресурсах определяется на конец ХХ в. следующим образом (в км3): ирригация 7000, промышленность 1700, бытовые нужды 600, разбавление сточных вод 9000, другие виды потребления 400 (итого 18700). Это количество составляет более трети мировых запасов пресной воды. Ресурсы пресных вод в бывшем СССР оцениваются в 4384 км3/год, а единовременные объемы воды в реках составляют 475 км3. Значительные запасы (3000 км3) сосредоточены в болотах Западной Сибири и северо-востока европейской части России. Болота являются природными аккумуляторами и осветлителями влаги, регуляторами гидрологического режима не только водных бассейнов, но и регионов в целом. Значительную часть водных ресурсов бывшего СССР составляют воды озер. В самых крупных из них сосредоточено до 26000 км3 воды, в том числе 23000 км3 – в Байкале [66].

Дефицит воды во всем мире, и в РФ в частности, связан с неравномерным распределением водных ресурсов. На территории, например, Азовско-Черноморского и Каспийского бассейнов (9 % общего речного стока), размещено 65 % производственного потенциала РФ и проживает 80 % населения. На сибирские реки, протекающие по наименее населенным и освоенным регионам, приходится более половины годового стока РФ в Ледовитый океан, а южные и западные районы страны – 18 % всех видов водных ресурсов [81].

Количество воды в водоемах суши устойчиво уменьшается, но уровень Мирового океана повышается на 1,2 мм в год. Причинами этого является вырубка лесов, осушение болот, "парниковый эффект".

По данным ООН, 23 % городских и 80 % сельских жителей не обеспечены питьевой водой удовлетворительного качества при общем уровне суточного потребления порядка 50 млрд. т, что в несколько раз превосходит объемы годовой добычи всех остальных полезных ископаемых в мире [52].

С учетом антропогенного воздействия круговорот воды в биосфере можно представить в виде испарения ее с поверхности гидросферы и суши, использования на бытовые и промышленные нужды и возврата в гидросферу в виде осадков и стоков (рисунок 2.4).

При этом возвращаемая вода загрязняется: атмосферные осадки получают загрязнения из атмосферы в виде вымываемых из воздуха загрязнителей (полютантов) и особенно после смыва загрязнителей при стекании по городским улицам, промышленным площадкам; городские сточные воды, загрязненные фекалиями, моющими средствами (детергентами), микроорганизмами, в том числе патогенными; промышленные сточные воды представляют собой большой комплекс загрязненных различными компонентами жидких отходов, таких как реакционные воды, загрязненные продуктами реакции и исходными веществами; свободные и связанные воды, содержащиеся в сырье; промывные воды после промывками сырья, оборудования; водные экстрагенты и абсорбенты; охлаждающие воды; бытовые воды из прачечных, душевых, столовых и др.; атмосферные стоки с территорий промышленных предприятий; сельскохозяйственные стоки, содержащие ядохимикаты, удобрения, органику, мочевину, азот, фосфор.

Основными причинами возникновения водного дефицита и сокращения эксплуатационных ресурсов воды стали расточительство и загрязнение поверхностных и подземных вод. Кроме того, в процессе промышленного и сельскохозяйственного производства человек изменяет химический состав исходных естественных веществ, создавая химические соединения, не встречающиеся ранее в природе (ксенобиотики). В природную среду все время поступает не только отходы производства, но и различные элементы, входящие в состав продукции. В природе водоемы загрязняются опавшей листвой деревьев, взвешенными частицами, образующимися во время бурных паводков, отмирающей водной растительностью. Загрязнители естественного происхождения довольно быстро биологически разлагаются и всегда присутствуют как нормальные компоненты экосистемы. Однако природные экосистемы не подготовлены к переработке и биохимическому разложению техногенных загрязнителей.

Рисунок 2.4 - Схема загрязнения гидросферы и круговорота воды

2.2.2 Загрязнение водных ресурсов

Различают следующие виды загрязнений природных вод: минеральное, органическое, биологическое, тепловое, радиоактивное, твердыми отходами (мусором).

Минеральное загрязнение воды развивается при оврагообразовании, при абразии (лат. abrasio – соскабливание, разрушение берегов, морей, озер, волнами) берегов морей, рек, озер, при водной эрозии поверхности земли. В водоемы поступают песок, глина, ил, вследствие чего они мелеют, а также минеральные соли, кислоты и щелочи.

Органическое загрязнение вод вызывают нефть, бензин, масла, органические соединения, различные растительные и животные остатки. Источниками такого загрязнения служат автопредприятия, нефтяная и газовая промышленность, сточные воды кожевенной, целлюлозно-бумажной, мясомолочной, консервной и легкой промышленности, предприятия строительной индустрии, практически все виды транспорта, остатки растений, растительного масла, остатки живого вещества и др.

Биологическое загрязнение возникает под действием бактерий, вирусов и грибков, при зарастании водоемов водорослями, при попадании в водоемы коммунально-бытовых вод, стоков кожевенных предприятий, боен, животноводческих комплексов и т. д. Такое загрязнение нередко становится причиной развития инфекционных заболеваний.

Тепловое загрязнение появляется при использовании воды в качестве охладителя. При повышении температуры снижается содержание в воде кислорода, что ведет к размножению анаэробных бактерий, выделению сероводорода, метана и других ядовитых веществ, отравляющих все живое. Тепловое загрязнение усиливает биологическое.

Радиоактивное загрязнение вызывается испытаниями термоядерного оружия, радиоактивными отходами предприятий и атомных электростанций, использующих речную воду в качестве охладителя реакторов. Захоронение радиоактивных отходов в океанических впадинах является причиной радиоактивного загрязнения вод океана.

Загрязнение твердыми отходами (мусором) может быть результатом деятельности различных предприятий. Простейшие животные и микробы используют многие отходы в пищу и перерабатывают небольшое их количества. Стекло, пластмассы, дерево, резина и некоторые другие вещества не поддаются разложению.

2.2.3 Особенности водных экосистем

Для правильного понимания процессов, происходящих при загрязнении пресноводных водоемов, необходимо остановиться на особенностях этих природных систем. В зависимости от местообитания (преимущественно по глубине) водные организмы классифицируются на следующие жизненные формы:
1. бентос (от греч. "бентос" – глубина) – донные организмы, ведущие прикрепленный или свободный образ жизни, в том числе обитающие в толще донного осадка. Это преимущественно моллюски, некоторые низшие растения, ползающие личинки насекомых и т. п.;
2. перифитон (греч. "пери" – вокруг, около, возле) – животные и растения, прикрепленные к стеблям высших растений и поднимающиеся над дном (моллюски, коловратки, гидры);
3. планктон ("планктос" – парящий) – плавающие организмы, способные совершать вертикальные и горизонтальные перемещения в соответствии с движением воды. Размеры представителей планктона – обычно микроскопические. Сюда входят также мелкие ракообразные, личинки, зеленые, сине-зеленые водоросли;
4. нектон ("нектос" – плывущий) – свободноплавающие, способные к перемещению организмы. Это рыбы, амфибии, крупные насекомые, ведущие водный образ жизни;
5. нейстон ("нейстос" – плавающий) – организмы, плавающие у поверхности воды. Представителями нейстона могут быть личинки некоторых комаров, а из растений – ряска.

Как и в любых других экосистемах, в водных трофических цепях различают автотрофные организмы (продуценты), фаготрофы (макроконсументы) и сапротрофы (микроконсументы), выполняющие преимущественно роль разрушителей органического вещества, (пример пищевой цепи моря на рисунке 2.5).

Одним из важнейших элементов водных экосистем являются донные отложения, которые служат аккумулятором осаждающихся из толщи воды различных веществ как органического, так и неорганического происхождения. Первые состоят преимущественно из клеток планктона, остатков макроводорослей и т.п., тогда как вторые – из продуктов выветривания, гидрооксида железа, диоксида кремния, карбоната кальция.

Рисунок 2.5 – Пищевая цепь моря (упрощенно) [56].

К неорганическим составляющим относятся малорастворимые соединения тяжелых металлов.

Поверхностные водоемы выступают как открытые экосистемы, способные к обмену веществом с примыкающими следами. Одной из главных их особенностей является то, что жизненные пpоцессы в водной сpеде пpотекают на фоне малых содержаний кислорода, источником которого служит фотосинтетическая активность водорослей и атмосферный воздух. Кислоpод, как и дpугие атмосферные газы, присутствуют в водной сpеде в pаствоpенном состоянии. Газообмен через поверхностную пленку, диффузия и перемешивание способствуют его проникновению в весь объем воды. Поверхностный слой воды насыщается газом пропорционально парциальному давлению кислорода в воздухе. Важно также и то обстоятельство, что растворимость газов зависит от температуры, причем чаще всего с ростом температуры она падает. Поэтому холодноводные незагрязненные системы характеризуются высоким содержанием кислорода. В летний период пи повышении температуры воды снижение растворимости кислорода компенсируется повышением фотосинтетической активности. Обычно в водной сpеде содержится кислорода 6 – 12 мг/дм3.
Кроме темпеpатуpы, на pаствоpимость кислорода в воде влияет ее солесодержание, увеличение которого снижает концентрацию кислорода. Важным является то обстоятельство, что если в поверхностном слое содержание кислорода определяется газообменом на границе раздела «воздух – вода», то в толще воды оно будет зависеть от поступлений в результате перемешивания и расхода на различные процессы, в том числе и биологические. Это обусловливает неравномерность распределения кислорода в водной среде и замедленное восстановление его содержания при истощении.
В случае преобладания процессов потребления кислорода над его восполнением возникает состояние истощения, оказывающее существенное влияние на водные организмы. При концентрации растворенного кислорода менее 2 мг/дм3 некоторые виды бактерий получают необходимый им кислород путем восстановления SO4 -2 - иона и система становится практически безкислородной (анаэробной). В таких условиях по сравнению с аэробными резко (в 3 – 10 раз) снижается скорость разложения мертвого органического вещества.

Для водных экосистем содержание растворенного кислорода часто служит лимитирующим фактором. В этой связи следует отметить, что pаствоpимость кислорода в воде падает с повышением темпеpатуpы. Низкое его содержание опасно для фауны еще и потому, что для удовлетворения потребностей в тех или иных соединениях, в том числе и в кислоpоде, водные животные нуждаются в интенсивной циркуляции воды, обеспечивающий контакт с жабpами огромному ее количеству. Hо это же обстоятельство увеличивает и риск поглощения токсичных соединений.

Количество углекислоты, находящейся в водной среде, также оказывается существенным фактором, определяющим благополучие водных экосистем, поскольку она активно участвует в процессе фотосинтеза и поддержании pH среды, принимает непосредственное участие в круговороте органического вещества во всех звеньях его цепи. В отличие от кислоpода pаствоpение атмосфеpного СО2 в воде пpотекает с последующей химической pеакцией обpазования угольной кислоты:

СО2 + H2О<-> H2СО3 , которая диссоцииpует в две ступени:

H2СО3 <-> H+ + HСО3и HСО3 <-> H+ + СО3–2

Распределение форм углекислоты в воде зависит от pH. В пpиpодных системах с pH 7 - 8,5 в воде пpеобладающим является бикаpбонат-ион HСО3– (более 80 %), легко усваиваемый pазличными оpганизмами. Углекислотное pавновесие зависит от темпеpатуpы и ионной силы pаствоpа: так, pавновесное содеpжание СО2 пpи 25oС составляет 0,5 мг/дм3, а пpи 0oС 1,1 мг/дм3.

Следовательно, значительное изменение pH, темпеpатуpы и солесодержания водной среды изменяет доступность углерода для различных оpганизмов и отpажается на состоянии водной экосистемы в целом.

Водная сpеда содеpжит значительные количества pазличных элементов и их соединений, находящихся в ней в pаствоpенном, взвешенном и соpбиpованном на взвеси состояниях. Поскольку многие из них являются необходимыми для ноpмальной жизнедеятельности pазличных водных оpганизмов, то водная сpеда служит их естественным источником. В свою очеpедь в воду эти элементы поступают из подстилающих поpод в пpоцессе выщелачивания, так как земная коpа в конечном итоге выступает в качестве исходной сpеды, поставляющей потоки pазличных элементов в биосфеpу, т.е. уpовни концентpаций pазличных элементов в повеpхностных водах зависят от состава и свойств выщелачиваемых поpод.

Значительно большие количества различных элементов присутствуют в поверхностных пресных водах в виде взвесей. В таком состоянии в водах рек присутствует более 98 % титана, скандия, ниобия, ванадия, галлия, хрома; 90 – 98 % кобальта, никеля, циркония, тоpия; 70 – 80 % всей массы меди, цинка, молибдена. Это обстоятельство способствует накоплению в донных отложениях взвешенных частиц и малорастворимых соединений. В силу этого концентрация токсичных веществ в донных осадках превышает таковую в толще воды, а активная жизнедеятельность бентоса часто способствует пpеобpазованию загpязнителей,а именно, концентpиpованию в различных организмах, переводу из менее токсичной формы в более токсичную.

Таким образом, водная среда в силу своей гомогенности и наличия фоновых содержаний различных элементов является их источником для водных организмов, однако удовлетворение этих потребностей идет на фоне достаточно малых содержаний элементов в воде, а что касается, например, тяжелых металлов, то речь можно вести о микроконцентрациях.

Следует иметь в виду тот факт, что формы нахождения металлов в воде в значительной мере определяет их поведение. Важную роль при этом играют процессы образования труднорастворимых соединений с различными компонентами водной среды и их седиментация, участие в реакциях образования комплексов с различными аминокислотами, сорбции взвешенными веществами и ионного обмена и др.

Участие металлов в процессах комплексобpазования важно еще и потому, что оно обусловливает снижение их токсичности по отношению к гидpобионтам, поскольку часто токсической формой являются свободные ионы металлов. Поглощение же загрязняющих веществ гидробионтами определяются усвоением с пищей и абсорбцией из водной сpеды. Поэтому скорость биологического накопления зависит от общей скорости дыхания (т. е. потребления с водой) и скорости потребления с пищей. В то же время выведение токсичных веществ из организмов гидробионтов определяется природой токсиканта. При рассмотрении особенностей водных экосистем не следует забывать об их открытости и чрезвычайно важной роли воды для экосистем суши, поскольку именно она является веществом, необходимым для существования всех форм жизни на Земле. В силу этого качество водной среды будет оказывать влияние не только на водные биоценозы, но и на ее потребителей в экосистемах суши. Здесь в первую очередь необходимо отметить возможность воздействия на человека пpи удовлетворении им физиологической потребности в воде.

2.2.4 Экологические последствия загрязнений водных экосистем

Водоемы и водотоки представляют собой сложные экосистемы, которые создавались в течение длительного времени эволюции. Антропогенное воздействие на них может привести к необратимым экологическим последствиям.

Рассмотрим первичные эффекты, проявляющиеся в водных экосистемах при основных видах загрязнений:

Загрязнение твердыми отходами (мусор, взвешенные вещества). Примером влияния такого загрязнения можно наблюдать в период весеннего паводка, когда максимально ухудшается качество воды в водоемах. Поскольку взвешенные вещества служат одним из основных видов загрязнителей поверхностных вод, то с ними преимущественно и связаны экологические эффекты. Так, процессы, осаждения взвеси приводят к ухудшению условий жизни организмов, обитающих в придонном слое, к заиливанию нерестилищ. Другим экологическим эффектом, вызываемым наличием в воде взвесей, является соосаждение с ними планктона. Отмечают связь, существующую между количеством в воде взвешенных веществ и фитопланктона: чем больше взвеси, тем меньше фитопланктона. Уровень зоопланктона также чрезвычайно подвержен влиянию взвеси, поскольку значительная часть его представлена организмами с фильтрационным аппаратом питания, подверженным максимальному воздействию взвешенных веществ. Рыбы также испытывают активное воздействие взвеси вследствие нагрузки на жабры и кишечник, что сказывается затем на темпах роста и других показателях.

Загрязнение тяжелыми металлами. В настоящее время металлы являются одними из главных по объему загрязнителей водоемов (в результате переработки, например, минеральных ресурсов). Многие из них в качестве микроэлементов играют важную роль в жизнедеятельности водных организмов. Основная масса тяжелых металлов (Zn, Cu, Ni, Co, Pb, Cd) находится в водоеме во взвешенном материале. Для таких металлов, как Zn и Cu, наблюдаются одинаковые концентрации в планктоне и донных отложениях из-за хорошей растворимости этих металлов. Наибольшая изменчивость содержаний характерна для донной фауны, что обусловлено особенностями образа жизни (малоподвижный), типа питания (фильтрующий механизм) и метаболизма (процесс обмена веществ в организме).

Наиболее активное накопление металлов происходит в морской воде, поэтому морепродукты способны концентрировать загрязнения до угрожающих здоровью человека уровней, это вызывает особую тревогу.

Американский ученый Гольдберг считает, что "для любого химического элемента найдется, по крайней мере, один вид планктона способный эффективно его концентрировать" [78].

Например, медь концентрируется в некоторых видах планктона в 90000 раз больше чем в окружающей воде, свинец и кобальт соответственно в 12000 и 16000 раз.

Нахождение человека на самом конце трофической цепи делает его особенно уязвимым к действию таких токсикантов. Токсичность металлов для различных видов гидробионтов различна.

Коэффициенты накопления, КН -(отношение концентрации загрязнителя в организме гидробионта к концентрации его в водной среде) тяжелых металлов гидробионтами могут достигать значительных величин (от сотен до десятков тысяч).Так, коэффициенты накопления КН некоторых тяжелых металлов различными видами пресноводных гидробионтов находятся в следующих пределах: кадмий 10 – 200, медь 60 – 120, железо 190, никель 85 – 235, цинк 22 – 780. Для всех типов водных систем они уменьшаются в трофической цепи при переходе от планктона к рыбе (за исключением такого металла, как Hg).

Ртуть (Hg)– один из лидеров "большой тройки" металлов (ртуть, Hg; свинец, Pb; кадмий, Cd), представляющих наибольшую опасность для людей и окружающей среды. Рассмотрим подробнее некоторые свойства ртути как токсиканта водной среды:

1. ртуть воздействует на нервную систему гидробионтов (рыб и морских млекопитающих). По пищевым цепям она переносится и к человеку, вызывая тяжелые психические расстройства, врожденные тератологенные эффекты (уродства) у детей и т. п.
2. соединения одновалентной ртути не так токсичны, как двухвалентной. Наиболее опасны для живого организма органические соединения ртути - ион метилртути CH3Hg+и диметилртуть (CH3)2Hg.
Соединения одновалентной ртути обладают низкой растворимостью воде, двухвалентной же водорастворимы. Ртутьорганические соединения (РОС) хорошо растворяются в жирах; диметилртуть, кроме того, летуча и легко впитывается кожей.
3. в водоемах ртуть может превращаться биогенно с помощью микроорганизмов из относительно малотоксичных форм в высокотоксичные. Такой процесс называют метилированием ртути в водоемах.

В 60-е гг. на побережье залива Минамата (Япония) отравленный ртутными отходами океан отомстил человеку. Ртуть, сброшенная заводами по переработке руд, была превращена бактериями в диметилртуть. Последняя накапливалась в рыбе, а люди, питающиеся рыбой, получали сильнейшие отравления (погибло более 50 человек). Рыбный промысел в заливе до сих пор запрещен: на дне моря лежит около 600 т ртути.
4. ртуть представляет собой классический пример токсиканта с биологическим накоплением. Ее соединения концентрируются сначала в фито- и зоопланктоне, затем, проходя по пищевым цепям (от рыб до человека), все более накапливаются главным образом в жировых тканях. Так, коэффициенты накопления метилртути для морских рыб достигают 5*105, а в речных системах для фитопланктона 1*105 и хищных рыб 4*105. Таким образом, защитная реакция одних гидробионтов на поступление ртути вызывает повышенные накопление ее в пищевых цепочках, причем в особо токсичной форме, и создает опасность для человека при употреблении в пищу рыбопродуктов.
Схожую реакцию (метилирование) микробные сообщества водных экосистем проявляют и по отношению к таким элементам, как Se, Te, As, что также необходимо учитывать при оценке поведения этих загрязнителей в экосистемах.
5. важная характеристика токсиканта – время удержания, которое для ртути в организме позвоночных очень велико
6. Ртуть медленно и не полностью выводится из отравленного организма. Этим объясняется ее накопительный токсический эффект. Подробнее о ртути в биосфере см. Приложение М.
Загрязнение органическими соединениями. Эти соединения присутствуют во всех хозяйственно-бытовых стоках. Они поступают в водоемы в результате перегрузки очистных сооружений, неправильной их эксплуатации, а в некоторых случаях из-за их отсутствия.

Сброс в проточные водоемы стоков с высоким содержанием органических соединений вызывает полное разрушение исходной экосистемы.

В поверхностных водах, загрязненных органическими соединениями, резко увеличивается количество бактерий, причем наряду с патогенными (способными вызывать заболевания других организмов) развиваются гетеротрофные (питающиеся готовыми органическими веществами и неспособные синтезировать органику из неорганики) микроорганизмы, минерализующие органику. Такая микрофлора разлагает весь органический комплекс, причем численность бактерий связана с концентрацией органики и уменьшается вниз по течению.

При загрязнении органикой стоячих вод наблюдается иная картина. Для водных объектов этого типа (озера, болота, пруды и др.) характерны малая скорость движения воды и слабое обогащение кислородом. Процессы повышения продуктивности озер, вызванные увеличением количества питательных веществ (фосфаты, нитраты, органика), поступающих с речным и поверхностным стоком, называется эвтрофикацией. При этом наблюдается интенсивное развитие фитопланктона и водных растений. Если в естественных условиях эти процессы могут протекать в течение длительного времени, то антропогенное воздействие чрезвычайно ускоряет их, особенно в случаях сбросов со сточными водами значительных количеств органических веществ, фосфатов и нитратов.

Таким образом, вспышки продуктивности фитопланктона являются признаком наличия процессов эвтрофикации стоячих вод. Количественное увеличение фитопланктона снижает прозрачность воды, что препятствует протеканию процесса фотосинтеза в глубинных слоях, а это в свою очередь способствует обогащению кислородом поверхностных слоев воды и сильному уменьшению его содержания в нижних слоях; этому же в немалой степени способствует жизнедеятельность бактерий по аэробному разложению мертвого органического вещества. Эти факторы вызывают существенные изменения в зооценозе озера. Исчезают виды рыб, обитающие в чистых и холодных водах с высоким содержанием кислорода (лососевые), а им на смену приходят неприхотливые травоядные виды (карповые). Резким скачком увеличивается продуктивность системы. В дальнейшем после полного исчезновения кислорода в нижних слоях воды начинаются процессы анаэробного брожения.

Загрязнение хлорорганическими соединениями (ХОС). Человечество долгое время недооценивало опасность производства хлорорганической продукции (пестициды, побочные продукты производств, где хлор используется в качестве отбеливателя).

С химической точки зрения органические соединения хлора, загрязняющие биосферу и представляющие наибольшую опасность, можно разделить на несколько групп:
1. Хлорпроизводные циклоалканов и циклоалкадиенов, например, гексахлоран
2. ДДТ и его производные
3. Хлорпроизводные диоксина
4. Хлорпроизводные дибензофурана
5. Хлорбифенилы

Последние три группы объединяют нередко под одним названием полихлорполициклические соединения (ПХПС).
Почти все ХОС чрезвычайно опасны для теплокровных, в силу того что они:

1. высокотоксичны;
2. обладают большой биологической активностью полифункционального характера;
3. необычайно устойчивы в окружающей среде и живых организмах;
4. способны к накоплению в пищевых цепях;
5. характеризуются большим временем удержания;
6. образуют стабильные и токсичные продукты распада или трансформации.
 
Так, например, наиболее широко распространенный в недавнем прошлом инсектицид ДДТ обнаружен сейчас на всех уровнях биосферы (даже в жировых тканях пингвинов в Антарктике!). Его период полураспада несколько лет. Производство и применение ДДТ в нашей стране запрещено с 1972 г., однако последствия его вредоносного действия будут еще очень долго проявляться.

ПХПС еще более опасны, так как, даже находясь в организме в ничтожных концентрациях, подавляют иммунную систему и адаптационные возможности, а в более высоких концентрациях канцерогенны. Они нарушают передачу нервных импульсов и некоторые генетические механизмы. Признано, что ПХПС на сегодняшний день – сильнейшие ксенобиотики, действие которых на биосферу полифункционально и еще далеко не полностью изучено.

Загрязнение нефтью. С 1980 г. добыча нефти растет по экспоненте, и сейчас ее ежегодно извлекают из недр Земли и донных отложений в объеме 3,2*1012 л.

В состав нефти входит более 150 различных углеводородов, из них примерно одну половину составляют алифатические, а другую - ароматические. В различных сортах нефти (в зависимости от происхождения) доля каждого компонента варьирует в широких пределах, так же как и доля других, более редких составных частей, содержащих, в частности, азот, серу, кислород, железо, никель, ванадий, медь и т. д.

Выделяют пять типов воздействия нефти на морские экосистемы:

1. Непосредственное отравление живых организмов с летальным исходом.
2. Нарушение физиологической активности у гидробионтов.
3. Прямое обволакивание нефтепродуктами живого организма.
4. Возникновение болезней, вызванное попаданием в организм углеводородов.
5. Негативные изменения в среде обитания.

В водоемах нефть и нефтепродукты скапливаются первоначально в поверхностной пленке, однако затем при перемешивании воды образуются устойчивые эмульсии в толще воды, которые частично растворяются или оседают на дно, Аэробные бактерии, деятельность которых обусловливает естественное самоочищение водоемов, окисляют нефтепродукты до нетоксичных соединений (в конечном итоге до СО2 и Н2О).

Таким образом, в окружающей среде оказываются значительно менее вредные соединения. Однако эти процессы идут очень медленно и лишь при определенных условиях (достаточной концентрации кислорода и температуры воды не ниже 5 – 10oС).

В пресноводных водоемах летальной концентрацией нефтепродуктов для взрослых особей рыб считаются значения около 10 – 15 мг/дм3, а при значительно более низких концентрациях (0,05 – 1,0 мг/дм3) гибнут икра и мальки, а также планктон – кормовая база рыб [78].

Таковы некоторые виды первичных эффектов, возникающих при загрязнении водоемов.

Необходимо обратить внимание и на то, что устойчивость водных систем по отношению к потокам загрязнителей зависит от климатогеографических условий. Так, если в умеренном климате какой-то условной реке требуется 200 – 300 км для того, чтобы справиться с каким-то количеством хозяйственно-бытовых стоков за счет процессов "самоочищения", то при прочих равных условиях на Севере это расстояние возрастает до 1000 – 1500 км из-за низких температур, короткого вегетационного периода, меньшей активности жизненных процессов и продуктивности этих систем, более высоких требований гидробионтов к качеству воды.

2.2.5 Самоочищение природных вод

Самоочищение водоемов - совокупность всех природных процессов в загрязненных водах, ведущих к восстановлению первоначальных свойств и состава воды.

В природных водоемах обитают рыбы, водоплавающие животные, птицы, развиваются водоросли, инфузории, рачки, насекомые, планктон и донные организмы. Здесь функционирует свой круг веществ.

Процессы самоочищения водоемов зависят от гидробиологической и гидрохимической обстановки в них. Основными факторами, существенно влияющими на водоемы, являются, температура вода, минеральный состав примесей, концентрация кислорода, рН воды, концентрация вредных примесей, препятствующих или затрудняющих протекание процессов самоочищения водоемов.

Особенно большое значение в процессах самоочищения имеет кислородный режим водоемов. Расход кислорода на минерализацию органических веществ определяется через биохимическое его потребление,(БПК).

Биохимическое потребление кислорода (БПК), выражается количеством кислорода, использованного в биохимических (при помощи бактерий) процессах окисления органических веществ за определенное время инкубации пробы (мг О2 в сутки).

Обычно на практике при анализе качества воды пользуются пятисуточной (БПК 5) или полной (БПКПОЛНОЕ) биохимической потребностью кислорода.

При сбросе в водоем загрязнителей биологическое равновесие в нем нарушается. Появляются минеральные новообразования в виде взвесей и растворов. Органические вещества окисляются аэробными микроорганизмами, расходующими кислород и выделяющими определенное количество теплоты. Образуются углекислый газ и вода, водоем очищается от органических веществ, но содержание кислорода уменьшается. При полном израсходовании кислорода размножаются анаэробные организмы, а все аэробные погибают. Самоочищение вод при этом прекращается, и начинается разложение органических веществ анаэробными микроорганизмами с образованием ядовитых веществ (аммиака, метана, сероводорода и др.). Водоем становится "мертвым".

Таковы основные последствия загрязнения гидросферы, которая оказалась наиболее уязвимой частью биосферы. И, если в ближайшее время кардинально не улучшатся ее использование и охрана, жизнь на планете окажется под угрозой.

2.3 Загрязнение литосферы

2.3.1 Земельные ресурсы

Литосфера – твердая оболочка Земли, различается по составу и строению на материках и океане. Мощность литосферы 50 – 250 км, в том числе земной коры до 50 – 75 км на суше (29,2 % поверхности Земли) и 5 – 11 км на дне океана.

Верхние слои литосферы мощностью 2 – 3 км (по некоторым данным – до 8,5 км) называют литобиосферой. Частью биосферы является только верхняя часть земной коры, т. к. с глубиной нарастает температура земных недр. Живые бактерии выявляются в подземных водах с температурой до 100oС, хотя наиболее активная жизнедеятельность ограничена примерно 80oС, предельная концентрация минеральных солей 270 г/дм3. При глубоком бурении в Поволжье и Западной Сибири активная и разнообразная по составу анаэробная микрофлора была найдена на глубине 1 – 3 км, а иногда и глубже [41].

Первоосновой всех форм растительных и животных организмов на суше является почвенный покров.

Почва - верхний слой суши, образовавшийся под влиянием многообразных физико-химических и биологических процессов, имеет постоянный обмен веществ и находится в состоянии подвижного равновесия с окружающей средой, служит общепланетарным аккумулятором и распределителем энергии прошедших через фотосинтез растений, удерживающим в биосфере важнейшие элементы - углерод, азот, фосфор, калий, серу, кальций и др. Основоположник современного почвоведения русский естествоиспытатель В.В. Докучаев (1846 - 1903) в своей работе «Картография русских почв» дал такое определение почвы: «Это суть поверхностно лежащие минерально-органические образования, которые всегда более или менее окрашены гумусом; эти тела имеют свое собственное происхождение; они всегда и всюду являются результатом совокупной деятельности материнской горной породы, живых и отживших организмов (как растений, так и животных), климата, возраста страны и рельефа местности; почва, как и всякий другой организм, всегда имеет известное строение, нормальную толщину и нормальное положение…» [40].

В почве сложным образом взаимодействуют следующие основные компоненты:

1. минеральные частицы (песок, глина), вода, воздух;
2. детрит – отмершее органическое вещество, остатки жизнедеятельности растений и животных;
3. множество живых организмов – от детритофагов до редуцентов, разлагающих детрит до гумуса.

Эдафические факторы – это свойства почвы как экологического фактора. Для почвы характерна более или менее рыхлая структура, определенная водопроницаемость и аэрируемость.

Почва является биокосной системой, основанной на динамическом взаимодействии между минеральными компонентами, детритом, детритофагами и почвенными организмами. Поверхностные слои почвы обычно содержат остатки растительных и животных организмов (детрит), разложение которых приводит к образованию гумуса, количество которого определяет плодородие почвы.

Процесс образования почвы протекает со скоростью 0,5 – 2 см в столетие, на образование пахотного слоя мощностью 18 – 25 см нужно от 2 до 8,5 тыс. лет. Поэтому если почва исчезла, то для всех практических целей она пропала навсегда.

Площадь суши земного шара без ледников и полярных шапок составляет 133,4 млн. км2. Из них 55,4 млн. км2приходится на тропики; 24,3 млн. км2 – на субтропики; 22,5 млн. км2 на – зону умеренного климата и 21,2 млн. км2 – на полярную зону. Пахотные угодья занимают около 1,5 млрд. га (10 – 11% суши), пастбища и сенокосы – приблизительно 3 млрд. га (20 % суши). По данным ООН, 20 % площади суши располагаются в слишком холодном климате, 20 % занимают высокие горы и 10 % – щебенистые почвы крутых склонов [52]. Резервы сельскохозяйственных земель на планете исчерпаны. Население земного шара распределено неравномерно, и обеспеченность пашней в разных странах неодинакова. Наиболее обеспеченные пашней страны являются основными производителями сельскохозяйственной продукции. На каждого жителя планеты приходиться в среднем 0,4 га пашни [12]. Эта цифра имеет тенденцию к сокращению, так как население Земли растет, а площадь суши не увеличивается. Площадь пашни можно увеличить за счет распашки лугов, сенокосов и пастбищ, но освоение новых территорий экологически небезопасно и экономически чаще всего нерентабельно.

По обеспечению пашней территория бывшего СССР занимает четвертое место в мире, однако половина этой территории находится в зоне многолетней мерзлоты, а 2/3 пахотных земель приурочено к зоне недостаточного увлажнения, и по потенциальным возможностям природных условий для сельскохозяйственного производства эта территория в 2,4 раза уступает США, 2,25 раза – Франции, в 1,7 раза – Германии и 1,5 раза – Великобритании [52].

На долю России приходится 76,6 % площади бывшего СССР и 59,6 % пашни. За длительный период бесхозяйственного использования почвы РФ в значительной степени утратили свое плодородие. Среди них много смытых черноземов, которые необходимо защищать от водной и ветровой эрозии. Почвы нуждаются в специальных мероприятиях по осушению, рассолению, нейтрализации кислой реакции (известкование), орошении и т.д. В настоящее время на душу населения в РФ приходится порядка 0,8 га пашни, а еще в 1971 г было 0,9 га. Такое уменьшение вызвано ростом населения страны и отводом продуктивных земель для строительства, развития промышленности и транспорта.

2.3.2 Эрозия почв

Под влиянием природных процессов и хозяйственной деятельности человека происходит механическое разрушение почвы – эрозия (от лат. «erosio» – разъедание) и физико-химическое загрязнение почв.

На интенсивность процессов эрозии почв влияют климат, рельеф местности и характер растительности. Естественная геологическая эрозия протекает медленно и формирует в течение длительного времени поверхность Земли, не оказывая отрицательного влияния на плодородие почвы. Большой вред почве наносит антропогенная эрозия, которая идет ускоренными темпами. Различают водную и ветровую эрозию.

Водная эрозия развивается там, где местность имеет волнистый рельеф, естественный растительный покров разрушен, часто выпадают ливневые дожди или очень быстро тает снег. Эрозия развивается в тех случаях, когда распахиваются легкие почвы, не соблюдается чередование культур на поле, распашка производится, не поперек, а вдоль склона и т.д. Причиной возникновения промоины может стать небольшая яма на склоне, выкопанная для добычи глины, гравия или песка, колея телеги, трактора или автомобиля, проложенная вдоль склона. Водная эрозия особенно сильно проявляется весной, когда по лишенной растительности поверхности почвы текут талые и дождевые воды.

Ветровая эрозия или дефляция характерна для степных районов, где часто дуют сильные ветры. Она заключается в выдувании, переносе и отложении мельчайших почвенных частиц. Ветровой эрозии подвергаются участки с распыленными бесструктурными почвами, утратившие растительный покров. Скорость ветра при пыльных, или черных бурях достигает 35 м/с, при этом в воздухе поднимается огромное количество почвенных частиц и с больших площадей сносится почвенный слой. Сильно страдают почвы от ветровой эрозии при добыче полезных ископаемых открытым способом, строительстве различных объектов, прокладке дорог и коммуникаций, когда уничтожается естественный растительный покров. Эрозия превращает цветущие земли в пустыни. Разрушение почвы процессами эрозии приводит к сокращению пашни, сенокосных угодий и пастбищ, и увеличению площади неудобий. В результате изменяются состояние и структура сельскохозяйственных угодий. За историческое время человечество по различным причинам, в том числе и вследствие эрозии, потеряло 2 млрд. га сельскохозяйственных угодий. По оценке академиков И. П. Герасимова и Е. К. Федорова, из-за эрозии почвы на планете потеряно до 700 млн. га только пахотных земель [52].

Кроме уже указанных выше, причинами эрозии является также бесконтрольная вырубка лесов, неумеренный выпас скота, неправильные методы земледелия.

2.3.3 Загрязнение почв

В нормальных естественных условиях все процессы, происходящие в почве, находятся в равновесии. В почве постоянно идут процессы самоочищения, когда населяющие почву организмы стремятся переработать попадающие в нее загрязнители. В 1 куб. см здоровой почвы содержатся миллионы микроорганизмов, но способность ее к самоочищению не безгранична и при интенсивном загрязнении может быть утрачена.

Основные источники загрязнения и изъятия земли приведены на рисунке 2.5.

Значительный ущерб почве наносит загрязнение от промышленных предприятий, теплоэнергетических комплексов, транспорта, коммунальных предприятий, химизации сельского хозяйства.

Наиболее губительное влияние оказывают кислотные осадки (кислотные дожди), разрушающие структуру почвы, губящие микроорганизмы, а также тяжелые металлы – свинец, ртуть, цинк, кадмий, селен, марганец и др. Ртуть попадает в почву от пестицидов и промышленных отходов с годовым объемом до 4 – 5 тыс. т. Свинец поступает от автотранспорта, от промышленных отходов. Из каждой тонны добытого свинца около 25 кг попадает в почву, поэтому вблизи автодорог на расстоянии до 200 м содержание свинца в 25 – 30 раз выше, чем в обычных районах. У перекрестков улиц больших городов содержание свинца в 200 – 300 раз превосходит фоновое, и эта цифра неуклонно растет.

От жилых домов и бытовых предприятий в последние годы в почву все больше попадает бытового мусора, фекалий, пищевых отходов; при реконструкции – строительного мусора. Промышленные предприятия перекачивают в хвостохранилища, шламовые пруды, накопители разнообразные соли цветных и тяжелых металлов, цианиды, соединения мышьяка и т. д. Теплоэнергетические предприятия выбрасывают в воздух оксиды серы, азота, золу, которые с дождем попадают в почву. В верхних горизонтах почвы происходит постепенное накопление токсичных веществ.

При повышении содержания легкорастворимых солей (карбонат натрия, хлориды и сульфаты) почвы становятся засоленными, в результате угнетается рост или погибают сельскохозяйственные растения. Засоленность проявляется в результате чрезмерной засоленности почвообразующих пород, бессистемного полива при отсутствии дренажа, орошения минерализованной водой, выпадения осадков с солью.

С эрозией почвы борются путем использования организационно-хозяйственных мероприятий (безопасное в эрозионном отношении использование земель, использование полей севооборотов и защитных лесных насаждений и др.); агротехнических (уменьшение водной эрозии вспашкой поперек склона и др.); лесомелиоративных (создание защитных, водорегулирующих и других лесных полос и массивов); гидротехнических мероприятий (устройство водозадерживающих валов, террас, нагорных каналов, искусственных водоемов, противоселевых дамб и др.). Большую полезащитную и водорегулирующую роль играют защитные лесные насаждения – ветроломные и водорегулирующие, плотные, продуваемые или ажурные.

С загрязнением почв нужно бороться путем исключения поступления этих загрязнений, создания безотходных технологий, утилизации существующих и новых отходов, конструирования производств с замкнутым циклом. В нашей стране только 5 % земель пригодны без специальных мелиоративных работ: осушения, орошения, известкования, гипсования, борьбы с эрозией и др. Мелиорация земель является действенным средством влияния на экосистемы и природу, особенно на связи в природе. Поэтому мелиоративные мероприятия должны осуществляться после изучения отдельных последствий с большой осторожностью.

Средством возвращения земель в сельскохозяйственный оборот, сохранения угодий, особенно после разработки полезных ископаемых в местах складирования выработанных пород, золоотвалов, шламовых насыпей, является их рекультивация.

Рекультивация земель производится в два этапа: технический и биологический. Первый этап начинается со снятия и складирования плодородного слоя. Мощность снимаемого слоя специалисты определяют на местности или по почвенной карте. Почвенный слой снимают бульдозером и помещают в бурты, которые хранятся до окончания строительства или других работ. Чтобы почва не раздувалась и не размывалась в период хранения, бурты засевают бобовыми травами - клевером, люцерной и т. д. После окончания строительства проводят планировку свободной от застройки территории, а затем на выровненную поверхность наносят ранее снятый почвенный слой.

Биологический этап рекультивации земель включает внесение удобрений, орошение, посев многолетних трав, сельскохозяйственных культур, посадку деревьев и кустарников. Биологическая рекультивация делится на лесную и сельскохозяйственную. Под сельскохозяйственную используются плодородные земли, а под лесную - малопригодные.

Согласно существующему положению о рекультивации земель, предприятия и организации, осуществляющие все виды строительства, которые приводят к нарушению почвенного покрова, обязаны снимать, хранить и наносить плодородный слой почвы на рекультивируемые земли, а при экономической целесообразности – малопродуктивные угодья. В обязанность этих предприятий входит также приведение земель после окончания всех работ в такое состояние, которое позволит использовать их сельском хозяйстве.

Рисунок 2.5 -Схема загрязнения литосферы и изъятия земли

Вопросы защиты биосферы рассматриваются во второй части пособия.

На предыдущую страницу На главную страницу На следующую страницу