Лекция 5. Биосфера и проблемы экологии. Источники и основные загрязнители атмосферного воздуха. Охрана атмосферного воздуха.
План
Биосфера и проблемы экологии.
Источники и основные загрязнители атмосферного воздуха.
Охрана атмосферного воздуха.
Биосфера и проблемы экологии
Под биосферой Вернадский понимал тонкую оболочку Земли, в которой все процессы протекают под прямым воздействием живых организмов. Биосфера располагается на стыке литосферы, гидросферы и атмосферы, находясь в диапазоне от 11 км в глубь Земли до 33 км над Землей.
Кроме растений и животных Вернадский включает сюда и человечество, влияние которого на геохимические процессы отличается от воздействия остальных живых существ, во-первых, своей интенсивностью, увеличивающейся с ходом геологического
времени; во-вторых, тем воздействием, какое деятельность людей оказывает на остальное живое вещество.
Экология изучает взаимодействие организмов с окружающей средой, создавая целостную картину на основе всей доступной информации. При этом термодинамический подход играет одну из ведущих ролей. Экология изучает организацию и функционирование надорганизменных систем различных уровней: популяций, сообществ, экосистем. Если учение о биосфере сразу подняло биологию с уровня отдельных видов к целостности высшего порядка, то экология изучает различные уровни целостности, промежуточные между организменным и глобальным.
К важным выводам экологии относятся следующие:
каждый организм может существовать только при условии постоянной тесной связи со средой, т. е. с другими организмами и неживой природой;
жизнь со всеми ее проявлениями произвела глубокие изменения на нашей планете. Совершенствуясь в процессе эволюции, живые организмы все шире распространялись на планете, стимулируя перераспределение энергии и вещества;
размеры популяций возрастают до тех пор, пока среда может выдерживать их дальнейшее увеличение, после чего достигается равновесие. Численность их колеблется вблизи равновесного уровня;
принцип равновесия играет в живой природе огромную роль. Естественное равновесие существует между организмом и окружающей его неживой средой. Великое множество равновесий поддерживает общее равновесие в природе.
Загрязнение природной среды различными отходами производства выше предельно допустимой концентрации приводит к росту заболеваемости, и это принято считать современным экологическим кризисом. Его разделяют на локальный и глобальный. Локальный экологический кризис выражается в местном повышении уровня загрязнений — химических, тепловых, шумовых, электромагнитных — за счет одного или нескольких близко расположенных источников. Глобальный экологический кризис является следствием всей совокупности хозяйственной деятельности нашей цивилизации и проявляется в изменении характеристик природной среды в масштабах планеты и, таким образом, опасен для всего населения. Земли. Бороться с глобальным экологическим кризисом гораздо труднее, чем с локальным. В настоящее время глобальный экологический кризис включает четыре основных компонента: кислотные дожди, парниковый эффект, загрязнение планеты суперэкотоксикатами и озоновые дыры.
Кислотные дожди — это атмосферные осадки, рН которых ниже, чем 5,5. Закисление осадков происходит вследствие попадания в атмосферу оксидов серы и азота. Источники S02 в основном связаны с процессами сгорания каменного угля, нефти и природного газа, содержащих в своем составе сераоргани-ческие соединения. Часть S02 в результате фотохимического окисления в атмосфере превращается в серный ангидрид, образующий с атмосферной влагой серную кислоту. Важным источником SO2 является цветная металлургия: производство меди, никеля, кобальта, цинка и других металлов включает стадию обжига сульфидов. Оксиды азота — предшественники азотной кислоты — попадают в атмосферу главным образом в составе дымовых газов котлов тепловых электростанций и выхлопов двигателей внутреннего сгорания. При высоких температурах, развивающихся в этих устройствах, азот воздуха частично окисляется, давая смесь моно- и диоксида азота.
Кислотные осадки (их рН иногда достигает 2,5) губительно действуют на биоту, технические сооружения, произведения искусства. Под действием кислотных дождей и снегов за 1955-1985 годы сильно понизился водородный показатель тысяч озер Европы и Северной Америки, а это в свою очередь привело к резкому обеднению их фауны и гибели многих видов организмов. Кислотные осадки вызывают деградацию лесов: в Северной Европе от них сильно пострадало примерно 50% деревьев. При понижении рН резко усиливается эрозия почвы и увеличивается подвижность токсических металлов.
Парниковый эффект обусловлен нагревом внутренних слоев атмосферы за счет поглощения "парниковыми газами" (прежде всего С02) основной инфракрасной части излучения поверхности Земли, нагреваемой Солнцем. Этот эффект может привести к существенному изменению климата, которое чревато непредсказуемыми последствиями, например к повышению уровня Мирового океана и затоплению низменных участков суши из-за таяния арктических и антарктических льдов. За последние 100 лет концентрация С02 в атмосфере выросла на 20%. Основными источниками увеличения углекислого газа являются топки тепловых электростанций, автомобильные двигатели, лесные пожары и др. Загрязнение суперэкотоксикатами поверхности Земли, к которым относятся хлордиоксины, полихлорированные бифенилы, полициклические ароматические углеводороды, некоторые тяжелые металлы (в первую очередь свинец, ртуть и кадмий); долгоживущие радионуклиды попадают в окружающую среду в результате аварий на химических производствах, неполного сгорания топлива в автомобильных двигателях, неэффективной очистки сточных вод, катастроф на ядерных реакторах и даже сгорания полимерных изделий в кострах на садовых участках. Суперэкотоксикаты ответственны за многочисленные болезни, аллергии, повышенную смертность, нарушения генетического аппарата человека и животных.
Озоновый слой, расположенный на высоте 25 ± 5 км, как известно, поглощает опасное для всех живых существ биологически активное ультрафиолетовое излучение Солнца (длина волны 240_260 нм). Наблюдения за концентрацией озона в этом слое, ведущиеся только в последние годы, фиксируют его существенное локальное понижение (до 50% от исходной). Такие места, получившие название озоновых дыр, обнаружены над Антарктидой (1985) и Арктикой (1992). Для объяснения образования озоновых дыр необходимо глубокое понимание комплекса физических, физико-химических и химических процессов, протекающих в тропосфере и стратосфере Земли, необходимо также учитывать солнечно-земные связи, процессы дегазации Земли, потоки техногенных и эндогенных газов в атмосферу и многие другие факторы. В настоящее время их количественный учет невозможен, поэтому однозначного объяснения причин возникновения и затягивания озоновых дыр не существует. Следует, однако, отметить, что представления о роли фреонов в разрушении озонового экрана нашей планеты являются всего лишь гипотезой. С ее помощью трудно объяснить причины периодического убывания концентрации озона над Антарктикой, тогда как не менее 90% фреонов попадают в атмосферу в Европе и США.
Известна еще одна гипотеза появления озоновых дыр, основанная на взаимодействии озона с потоками водорода и метана, поступающего в атмосферу через разломы в земной коре, тем более что географические координаты озоновых дыр очень близки к координатам зон разломов в земной коре. Если это так, то колебания концентрации озона следует отнести к природным факторам.
Глобальный экологический кризис, обусловленный антропогенным вмешательством в природные процессы, представляет опасность для жизни на Земле. Решение этих задач потребует от человечества грандиозных усилий. Однако сложность проблемы заключается в том, что развитие цивилизации неминуемо влечет за собой загрязнение среды обитания и приводит к появлению сложных экологических проблем. Проблемы эти столь трудны и многоплановы, что некоторые ученые и мыслители всерьез ставят вопрос о свертывании промышленного производства и возвращения человека к патриархальному быту, характерному для середины или второй половины XIX столетия.
2. Источники и основные загрязнители атмосферного воздуха. В настоящее время основной вклад в загрязнение атмосферного воздуха на территории России вносят следующие отрасли: теплоэнергетика (тепловые и атомные электростанции, промышленные и городские котельные и др.), далее предприятия черной и цветной металлургии; нефтедобычи, нефтепереработки и нефтехимии; автотранспорта, а также строительная индустрия. В последнее время во многих городах основное количество выбросов вредных веществ приходится на автотранспорт.
На тепловых электростанциях. В процессе сжигания твердого или жидкого топлива, в атмосферу выделяется дым, содержащий продукты полного (диоксид углерода и пары воды) и неполного (монооксид углерода, оксиды серы и оксиды азота, углеводороды и т.д.) сгорания. Например, современная теплоэлектростанция мощностью 2,4 млн. кВт расходует до 20 тыс. т угля в сутки и выбрасывает в атмосферу в сутки 680 т оксидов серы, 120-140 т твердых частиц (зола, пыль, сажа), 200 т оксидов азота. Перевод установок на жидкое топливо (мазут) снижает выбросы золы, но практически не уменьшает выбросы оксидов азота и серы. Наиболее экологично газовое топливо, которое в три раза меньше загрязняет атмосферный воздух, чем мазут, и в пять раз меньше, чем уголь.
Загрязнение атмосферного воздуха воздействует на здоровье человека и на окружающую среду различными способами – от прямой и немедленной угрозы до медленного и постепенного разрушения различных систем жизнеобеспечения организма. Во многих случаях загрязнение воздушной среды нарушает структурные компоненты экосистемы до такой степени, что регуляторные процессы не в состоянии вернуть их в первоначальном состоянии.
Роль загрязняющих веществ определяется:
¾ объемом выбросов;
¾ характером распространения этих веществ и продуктов их размещений в самой атмосфере;
¾ межфазным переносом с последующей миграцией в других средах;
¾ воздействием на природные процессы и участием в них.
Важнейшим параметром, определяющим масштаб распространения загрязняющих веществ в атмосфере, является время их жизни в атмосфере. Степень воздействия загрязняющих веществ на окружающую среду и биоту зависит от концентрации и индивидуальных физико-химических свойств, а также от концентрации и свойств продуктов их превращения. В соответствии с этим различают три типа выбросов загрязняющих веществ:
¾ приводящие к загрязнению в глобальном масштабе;
¾ приводящие к загрязнению в региональном масштабе (в том числе и в регионе, включающем территории нескольких государств);
¾ приводящие к загрязнению в локальном масштабе, например, на небольших территориях в пограничном районе двух государств.
Нормирование выбросов любого типа подразделяется на три этапа:
¾ выделение критического звена в природной среде и биоте (в локальных условиях это прежде всего здоровье человека);
¾ определение предельно-допустимых нормативов;
¾ установление связи предельно-допустимых нормативов с предельно-допустимыми выбросами.
Расчет по нормированию выбросов обычно проводится в две стадии:
1–я стадия – предприятие разрабатывает проект ПДВ с учетом фонового загрязнения (его величина запрашивается в местном подразделении Росгидромета), регламента работы производственных мощностей, технических возможностей снижения выбросов и направляет в городской орган природопользования следующие документы:
¾ официальное ходатайство о выдаче разрешения на выброс;
¾ бланк инвентаризации источников выбросов;
¾ сведения о разработке проекта ПДВ.
Если ПДВ утверждается не в первый раз, то прилагается информация о выполнении мероприятий по снижению выбросов за, прошедший период, план мероприятий на новый срок, график контроля соблюдения нормативов ПДВ.
2–я стадия – местные органы охраны окружающей среды обобщают предложения всех предприятий, расположенных на его территории. На участках, где все концентрации в зоне жилой застройки ниже ПДК, предложенные ПДВ могут быть утверждены. Там, где концентрации превышают ПДК определяют предприятие, которое имеет наибольшую мощность выбросов, и предлагают ему изыскать возможность снижения предложенного ПДВ. Иногда может стоять вопрос о закрытии, переформировании или выносе за пределы города предприятий, наносящих значительный ущерб окружающей среде. Если предприятие не может в данный момент обеспечить ПДВ, но оно имеет важную роль в хозяйстве страны или города и в то же время имеет возможность за счет совершенствования технологии добиться снижения выброс, то этому предприятию может быть установлен временно согласованный выброс (ВСВ). ПДВ обычно утверждается на 2-3 года, иногда до 5 лет (если все выбрасываемые загрязняющие вещества относятся к 3-4 классам опасности), ВСВ утверждается на 1 год.
Контроль выполнения предприятиями установленных им норм выбросов осуществляют местные природоохранные органы. При проведении плановых проверок подлежат контролю наличие и количества:
¾ основных загрязняющих веществ (оксиды серы, азота, углерода, пыли);
¾ загрязняющих веществ, для которых на данной территории зарегистрированы концентрации 5ПДК.
Контролируются также:
¾ регулирование выбросов при неблаприятных метеорологических условиях (НМУ);
¾ работоспособность установок очистки газов;
¾ аварийные выбросы;
¾ загрязненность среды в случае чрезвычайных ситуаций и экстремально высокого загрязнения атмосферы;
¾ факты сжигания отходов на свалках, полигонах (образование диоксинов);
¾ соблюдение экологических требований при использовании химических веществ в хозяйстве;
¾ выполнение выданных ранее предписаний.
По результатам проверки составляется акт, выдается предписание на устранение обнаруженных нарушений, а если нарушения очень серьезны (превышение ПДК м.р. или ПДК с.с. в 3-30 раз, выбросы вредных веществ без разрешения), то могут приниматься решения о приостановлении эксплуатации, остановке оборудования, цехов или предприятия в целом. Могут быть также применены штрафные санкции в отношении предприятия или его руководителей.
Для постоянного контроля выбросов в последние годы стали шире применяться дистанционные методы мониторинга, для чего на дымовых трубах и на местности устанавливаются датчики основных загрязняющих веществ, данные с которых направлены на централизованные пункты контроля.
Большая часть поверхности Земли покрыта водами океанов (~ 71%). Объем вод Мирового океана составляет 1370 млн. км3 или 91% известных запасов воды. На континентах сосредоточено 131 млн. км3 воды (8,72%). Примерно половина ее (60 млн. км3) расположена на глубине десятков и сотен метров от поверхности. В верхних слоях земли находится примерно 50 млн. км3 и около 20 млн. км3 воды в форме ледников покрывает Антарктиду, Гренландию, острова Ледовитого океана. Немного воды находится в озерах (750 тыс. км3) в атмосфере в воде пора и облаков (13 тыс. км3) в реках лишь около 1 тыс. км3 (таблица 2)
В целом природные воды едины, деление их на озерные и речные, ледниковые и подземные условно. В процессе круговорота все они связаны между собой и происходит их возобновление. В среднем крупные водоемы возобновляются в течение 100 лет, а такие озера, как Байкал, – в течение 200-300 лет.
Возникновение водной проблемы в мире обусловлено интенсивным использованием водных ресурсов в связи с ростом населения, развитием
Таблица 2
Суммарные запасы поверхностных и подземных вод на Земле.
| Вид запасов воды | Объем, млн. км3 | Доля от общих запасов, % |
| Мировой океан | 91,27 | |
| Континентальные воды, | 8,72 | |
| в том числе: подземные | 8,4 | |
| ледники | 1,5 | |
| озера | 0,75 | 0,57 |
| реки | 0,001 | 0,0008 |
| Атмосфера | 0,013 | 0,001 |
| Растения и животные | 0,006 | 0,0004 |
производительных сил и связанное с этим увеличение водопотребления и сброса сточных вод в промышленности, сельском, коммунальном и других отраслях хозяйства. Человечество активно воздействует на водоемы и водотоки широкомасштабным гидростроительством (таблица 3). Развитие производительных сил сопровождается ростом потребления пресной воды. Половина ее идет в сельское хозяйство, 1/3 расходуется в промышленности и только 5% используется на непосредственные нужды населения.
Таблица 3
Расход воды на единицу производства продукта.
| Вид производства | Количество используемой |
| воды, м3 | |
| Добыча 1 т нефти | |
| Производство (1 т): | |
| сталь | |
| бумага | |
| шерстяная ткань | |
| ацетатный шелк | |
| ловсан | |
| капроновое волокно | |
| Выращивание (1 т): | |
| пшеница | |
| рис | |
| хлопок | |
| Работа (1 млн. кВт): | |
| теплоэлектростанций | (1,2-1,6)*106 (м3 в год) |
| электростанций | (2-3,5)*106 (м3 в год) |
| Потребность в воде: | |
| города с численностью населения 1млн. человек | 0,5*1012 (0,5 млн. км3 в сутки или 180 млн. км3 в год) |
Россия располагает колоссальными водными ресурсами, в том числе огромными ресурсами пресной воды. По абсолютному водообеспечению она занимает второе место (4000 км3), уступая Бразилии (9230 км3 в год). По относительной водообеспеченности на единицу площади Россия занимает четвертое место, уступая Бразилии, Норвегии и Индии.
В России около 120000 рек (длиной более 10 км) общей протяженностью 2,3 млн. км. По степени естественной водо- и теплообеспеченности территория России делится на две различные части: зону избытка воды при недостатке тепла и зону недостатка воды при изобилии тепла. Обширные сельскохозяйственные районы Заволжья, Северного Кавказа, юга Забайкалья и др. при обилии тепла не обеспечены водой.
Сущность водопользования в России заключается не в недостатке водных ресурсов в целом, а в их неравномерном распределении по территории. Остроту проблеме придает недостаток и истощение водных ресурсов в обжитых, экономически развитых южных районах страны (бассейны Азовского и Каспийского морей). Чрезмерное использование водных ресурсов рек, питающих эти водоемы (Волга, Уран, Дон, Кубань) неизбежно влечет за собой большой и непоправимый ущерб.
Вода имеет чрезвычайно важное значение для жизни на планете: с одной стороны, она выступает как носитель жизни, как условие для воспроизводства, развития, существования всех живых организмов, природной среды в целом; с другой– вода используется человеком как природное сырье, как ресурс, который участвует практически во всех видах хозяйственной деятельности человека, в производстве всех видов полезной продукции.
Как природный ресурс вода использовалась человеком с давних времен, но только в последние полвека резко возросло потребление водных ресурсов на нужды промышленности и сельского хозяйства. Использование воды как природного ресурса выдвинуло на передний план проблему качества воды как ведущего экологического фактора. Во многих речных системах и водоемах накопилось огромное количество загрязнителей, качество водной среды изменилось в худшую сторону. В связи с этим требования многих водопользователей к качеству воды существенно возросли. При этом возникла необходимость охраны не только источников воды, но и водного режима на прилегающих территориях водосбора.
В России накоплен большой опыт работ по водообеспечению и комплексному использованию водных ресурсов; наиболее важные выводы из которого состоят в следующем:
¾ для основных водопользователей требования к качеству воды служат решающим фактором выбора источников и технических решений по водообеспечению, а часто и по размещению самих водопользователей;
¾ пользование водой одним из потребителей чаще всего затрагивает интересы других партнеров, поэтому решение задач по удовлетворению потребностей в воде необходимо рассматривать только в комплексном использовании;
¾ важное значение в решении задач водообеспечения на современном этапе приобретают поиски путей снижения водопотребления всеми пользователями;
¾ необходимость управления водным режимом почв на больших территориях предъявляет новые требования к сложившимся водным системам и объектам;
¾ возрастают требования к повышению надежности водообеспечения, что приводит к созданию крупных водохозяйственных систем с несколькими источниками воды.
Управление водопользованием – это комплекс сложных задач, требующих всестороннего изучения, глубокой проработки, учета отдаленной перспективы, взаимосвязи с хозяйственными и природными экологическими процессами. В последнее время установлено, что в наибольшей мере изменения режима и ресурсов вод суши вызвано хозяйственной деятельностью человека. В ряде регионов страны водный сток сократился на десятки процентов, изменился уровневый режим, соленость, течения и другие показатели внутренних водоемов.
Ресурсы пресной воды могут быть исчерпаны уже в нашем столетии. Поэтому проблема их рационального комплексного многопланового и многоразового использования и охраны – одна из важнейших научно-технических задач. Решение этих задач опирается на «Основы водного законодательства», основные положения которого строго регламентируют использование водного фонда(статья 4). Все воды (водные объекты) в России составляют государственный водный фонд. Единый государственный водный фонд включает:
1) реки, озера, водохранилища, другие поверхностные водоемы и водные источники, а также воды каналов и прудов;
2) подземные воды и ледники;
3) внутренние моря и другие внутренние морские воды РФ;
4) территориальные воды РФ.
Статья 10. При размещении, проектировании, строительстве и вводе в эксплуатацию новых и реконструированных предприятий, сооружений и других объектов, а также при внедрении новых технологических процессов, влияющих на состояние вод, должно обеспечиваться рациональное использование вод при условии первоочередного удовлетворения питьевого и бытового потребления населения.
Планирование рационального водопользования обусловлено спецификой водопользования. Водопользование классифицируют по следующим признакам:
¾ цели водопользования;
¾ объекты водопользования;
¾ технические условия водопользования;
¾ условия предоставления водных объектов в пользование;
¾ характер использования воды;
¾ способ использования водных объектов;
¾ воздействие водопользований на водные объекты.
Загрязнение атмосферы происходит в силу естественных причин, но оно за исключением катастрофических случаев, не нарушает сложившегося в природе равновесия, не влечет качественных изменений воздуха. Основным и наиболее опасным источником загрязнения атмосферы являются промышленные, транспортные и бытовые выбросы.
Современное состояние атмосферного воздуха характеризуется изменением его природного состава, в частности, увеличением количества диоксида углерода. Вредные вещества от источников выбросов промышленных предприятий сосредотачиваются в тропосферном слое и создают опасные облака примесей. С течением времени количество загрязняющих веществ накапливается и распределяется неравномерно, в некоторых местах их концентрация уже теперь является недопустимо высокой.
Таким образом, научно-техническая революция, затрагивающая все стороны жизни общества, высокие темпы развития производства, рост городов, расширяющееся использование атмосферы и возрастающие масштабы воздействия человека на окружающую среду требуют повышенного внимание на охрану атмосферного воздуха.