Инженерная экология

лях знаний (охрана окружающей среды, промышленная безопасность, инже-

нерная защита окружающей среды и др.).

Современные методы и технологии в области инженерной экологии,

включают:

• альтернативные источники энергии, с анализом их влияния на эколо-

гию;

• методы сокращения твердых, жидких и газообразных выбросов про-

мышленных предприятий и транспорта;

• методы сокращения воздействия на население и окружающую природ-

ную среду загрязняющих веществ химического и биологического происхож-

дения, а также таких факторов, как шум, вибрация, ионизирующие и неиони-

зирующие излучения, электрическое поле и др.;

•технологии и оборудование для очистки промышленных и бытовых сточных вод;

•оборудование, машины и технологии обезвреживания и переработки бытовых и промышленных отходов;

•нанотехнологии в экологии;

•мембранные технологии очистки воды и др.

Как экологическая наука, инженерная экология исследует экологические процессы, на которые оказывают влияние современные технические устройст-

ва и производственные комплексы, изучает требования к конкретным техниче-

ским средствам, которые вытекают из особенностей жизнедеятельности чело-

века и биосферы. Иначе говоря, решает задачу приспособления техники,

сложных производств к естественным условиям жизни и деятельности челове-

ческого общества и экосистем планеты.

Как техническая наука, инженерная экология изучает принципы по-

строения сложных систем, технологические процессы для изучения и выпол-

нения требований, обеспечивающих безопасность жизнедеятельности челове-

ка и биосферы. Многие из этих проблем, вырастающие до уровня чрезвычай-

ных экологических ситуаций, появляются в результате частных позиций, од-

10

ной из которых является ориентация предпринимателя на достижение прибы-

ли.

Проблематика инженерной экологии может быть разделена на несколько направлений. Основные из них: методологическое, экологическое, системо-

техническое, эргономическое, эксплуатационное и мониторинговое.

Методологические проблемы позволяют выделить предметы в объект исследований, определить методы их изучения, установить принципы раскры-

тия закономерностей в исследуемой области, определить место инженерной экологии в системе наук.

Экологическое направление связано с изучением тех свойств биосферы и отдельных экосистем, а также лимитирующих факторов, которые имеют значение в процессе эксплуатации технических средств и производственных комплексов.

Системотехническое направление инженерной экологии связано с изу-

чением инженерно-экологических вопросов разработки эргатических систем ЧТС «человек – техника – среда». В это направление входят следующие груп-

пы задач:

1. Разработка инженерно-экологических принципов построения техни-

ческих элементов системы ЧТС, включая разработку принципов конструиро-

вания средств защиты окружающей среды и обеспечения безопасности жизне-

деятельности человека.

2. Инженерно-экологическое проектирование, анализ и оценка проекти-

руемой эргатической системы.

3. Проектирование и разработка принципов и методов инженерной эрго-

номики, оценка условий труда оператора эргатической системы, рабочего мес-

та и всего комплекса управления, анализ и проектирование деятельности опе-

ратора.

4. Определение экономической эффективности и оценка социальных ха-

рактеристик, а также разработка методов и критериев оценки надежности и эффективности системы ЧТС в целом.

11

Эксплуатационное направление инженерной экологии связано с обес-

печением эффективности и безопасности функционирования эргатической системы. Большую роль здесь играют ошибки человека, связанные с недостат-

ками в подготовке оператора, слабыми знаниями и навыками в управлении и безопасности обслуживания техники, плохой организацией труда.

Новейшим направлением в проблематике инженерной экологии является мониторинг, который позволяет выявлять факторы воздействия эргатической системы, в частности еѐ технических средств воздействия на окружающую среду, производить оценку экологичности эксплуатируемых систем и влияния объектов техносферы на среду.

1.3. Принципы инженерной экологии

При решении задач инженерной экологии используются различные ме-

тодологические принципы. Основные из них следующие.

Принцип комплексности. Использование этого принципа связано с необходимостью развития междисциплинарных связей инженерной экологии,

взаимодействия ее с другими науками о человеке, технике и окружающей при-

родной среде. Основой для практической реализации этого принципа является системный подход.

Принцип гуманизации труда. Этот принцип исходит из требова-

ний, предъявляемых человеком к технике и организации труда, и учитывает такие аспекты как повышение производительности, качества и эффективности труда, создание условий для этого, творческую роль человека в процессе тру-

да.

Принцип экологичности техники. Согласно этому принципу вы-

полнение инженерно-экологических требований должно быть обеспечено на всех этапах существования системы: проектирования, производства и эксплуа-

тации.

Принцип конструкции технического средства. Одной из основных особенностей конструкции должно быть обеспечение безопасности жизнедея-

12

тельности человека и соответствие современным нормам и требованиям эко-

логичности изделия. Еще одно существенное свойство принципа конструкции

– необходимость исследовательского подхода к конструкции технических средств, входящих в эргатическую систему.

Принцип ответственности за новое техническое средство. Обес-

печение высоких знаний, профессионального опыта, кругозора, высокой от-

ветственности и добросовестности всех работников отражают суть требований принципа.

Принцип эмерджентности3. Характерной особенностью иерархи-

ческой организации является то, что объединение различных составляющих биологических уровней в новые функциональные единицы приводит к воз-

никновению у этих единиц качественно новых, эмерджентных, свойств. Новые единицы, возникшие при объединении разных составляющих, проявляют свойства, отсутствовавшие на предыдущем уровне. Эмерджентные свойства можно выразить через понятие о несводимых свойствах, смысл которого за-

ключается в том, что свойства целого не могут быть представлены в виде сум-

мы свойств его частей. Этот принцип несводимости свойств целого к сумме свойств его частей – принцип эмерджентности – служит одной из основных заповедей специалиста, инженера-эколога.

Современная техника позволяет на высоком уровне изучать большие сложные системы, включая экосистемы. Совершенными инструментами для этого сегодня служат автоматический мониторинг, математическое моделиро-

вание, компьютерная техника, новые физико-химические методы.

1.4. Связь инженерной экологии с другими науками

Инженерная экология развивается в тесной взаимосвязи с другими фун-

даментальными и прикладными науками, связана с инженерно-

технологическими дисциплинами отрасли и базируется на знаниях, получен-

3 Эмерджентность (англ. emergence — возникновение, появление нового) в теории систем — наличие у какойлибо системы особых свойств, не присущих еѐ подсистемам и блокам, а также сумме элементов, не связанных особыми системообразующими связями; несводимость свойств системы к сумме свойств еѐ компонентов.

13

ных в ходе изучения следующих дисциплин «Химия», «Экология», «Общая химическая технология» «Химическая технология неорганических веществ», «Процессы и аппараты химической технологии» и других.

Развитие инженерной экологии происходит во взаимной связи с эколо-

гической наукой в целом и, комплекса инженерных наук.

Инженерная экология имеет тесную связь с экономикой, организацией труда, социологией, социальной экологией и рядом других дисциплин, изу-

чающих социотехнические системы.

Винженерной экологии широко используются математические методы,

вчастности, при изучении деятельности человека или для построения моделей экосистем, планирования и обработки данных динамики состояния экосистем

вусловиях антропогенных загрязнений, при получении количественных ха-

рактеристик и соотношений параметров технических средств в стадии их про-

ектирования и конструирования.

Особой темой научно-технического применения инженерной экологии являются работы, связанные с созданием космических эргатических систем.

Исследование космических пространств – передний край сегодняшней науки – имеет прямое отношение к основам инженерной экологии. Решение приклад-

ных задач создания космических ракет, межпланетных станций, глубоковод-

ных океанских технических устройств, требует дальнейшего развития инже-

нерной экологии. Сегодня уже можно говорить о реальном переходе от иссле-

дования космического пространства к его освоению человечеством.

В последние годы наметилось усиление связи инженерной экологии с экономикой, открывающее резервы роста производительности труда и эффек-

тивности производства.

Изучение инженерной экологии опирается на некоторые разделы фун-

даментальных и прикладных дисциплин. Знания из области физики, химии и биологии необходимы при проведении инженерно-экологических исследова-

ний и экспериментов. Математические знания нужны при изучении количест-

венных характеристик экосистем, а в эргатических системах – также при изу-

14

чении деятельности человека-оператора. Общая теория надежности помогает изучать надежность оператора и эргатической системы «человек – техника – среда». Знание возможностей и принципов построения ЭВМ позволяет изучать вопросы распределения функций между человеком и машиной и моделирова-

ния экологической ситуации, деятельности оператора и всей системы в целом.

Инженерная экология является базой для изучения таких дисциплин как конструирование машин, станков, агрегатов; приборов; эксплуатация техниче-

ских средств; охрана окружающей среды; технология неорганических ве-

ществ; экономика и организация промышленного производства; инженерная эргономика4 и др.

Полноценная инженерная деятельность может быть обеспечена на базе широкого образования, включающего не только фундаментальную математи-

ческую, прикладную, но и методологическую подготовку в области техники и технических наук.

2. АНТРОПОГЕННОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ НА АТМОСФЕРУ

2.1. Структура и состав атмосферы

Атмос – газовая оболочка (геосфера), окружающая планету Земля.

Внутренняя еѐ поверхность покрывает гидросферу и частично кору, внешняя граничит с околоземной частью космического пространства.

Толщина атмосферы – примерно 2000 – 3000 км от поверхности Земли.

Суммарная масса воздуха – (5,1-5,3)×1018 кг. Молярная масса чистого сухого воздуха составляет 28,966. Давление при 0°C на уровне моря – 101,325 кПа;

критическая температура – 140,7°C; критическое давление – 3,7 МПа; раство-

римость воздуха в воде при 0°C – 0,036 %, при 25 °C – 0,22 % [2].

Опоясывающая Землю атмосфера состоит из множества слоев (рис. 1).

4 Эргономика – наука о правильной организации человеческой деятельности. (от др.-греч. ἔργον

— работа и νόμος — закон) — соответствие труда физиологическим и психическим возможностям человека, обеспечение наиболее эффективной работы, не создающей угрозы для здоровья человека и выполняемой при минимальной затрате биологических ресурсов.

15

Рис. 1. Строение атмосферы Каждый из таких слоев выполняет задачи, направленные на обеспечение

полезных свойств живых организмов. Каждый из слоев способен возвращать обратно вещества или лучи, достигшие его границ, либо в космическое про-

странство, либо к земной поверхности. Например, тропосфера, расположенная в 13-15 км от поверхности Земли, уплотняет массы водяного пара, поднимаю-

щиеся с земной поверхности, и возвращает их на Землю в виде дождя. Озоно-

вый слой атмосферы, т.е. озоносфера, расположенная на высоте 25 км от Зем-

ли, отражая идущие из космического пространства радиацию и ультрафиоле-

товые лучи, возвращает их обратно, не позволяя пробиться к земной поверх-

ности.

Рассматривая различные экологические функции атмосферы Земли,

можно сделать вывод, что жизнь на Земле без этой воздушной оболочки не-

возможна.

16

Атмосфера Земли состоит, в основном, из газов и примесей (пыль, кап-

ли воды, кристаллы льда, морские соли, продукты горения).

Как показано в таблице 1, концентрация газов, составляющих атмосфе-

ру, практически постоянна, за исключением воды (H2O) и углекислого газа

(CO2).

Кроме указанных, в атмосфере содержатся SO2, NH3, СО, озон, углево-

дороды, HCl, HF, пары Hg, I2, а также NO и многие другие газы в незначитель-

ных количествах. В тропосфере постоянно находится большое количество взвешенных твѐрдых и жидких частиц (аэрозоль).

Крупнейшие глобальные экологические проблемы современности –

«парниковый эффект», нарушение озонового слоя, выпадение кислотных дож-

дей – связаны в том числе с антропогенным загрязнением атмосферы.

Охрана атмосферного воздуха – ключевая проблема оздоровления окру-

жающей природной среды.

17

В атмосфере идут глобальные метеорологические процессы, формиру-

ются климат и погода, задерживается масса метеоритов.

Атмосфера обладает способностью к самоочищению. Оно происходит при вымывании аэрозолей из атмосферы осадками, при турбулентном пере-

мешивании приземного слоя воздуха, отложении загрязненных веществ на по-

верхности земли и т. д. Однако в современных условиях возможности природ-

ных систем самоочищения атмосферы серьезно подорваны.

2.2. Классификация загрязнителей атмосферы

Загрязнение – это привнесение в среду или возникновение в ней новых,

не характерных для среды химических, физических, биологических или ин-

формационных агентов; или повышение концентрации этих агентов сверх среднего наблюдавшегося количества или уровня.

Выбросы загрязняющих веществ или сами загрязнители делятся на три

типа:

приводящие к загрязнению в глобальном масштабе – выбросы ве-

ществ с большим временем жизни в атмосфере (годы или месяцы), способные распространяться в окружающей среде в глобальном масштабе независимо от места их выброса (углекислый газ, фреоны, радионуклиды с периодом полу-

распада от одного месяца и больше);

приводящие к загрязнению в региональном масштабе (регион мо-

жет охватывать территорию нескольких государств) – выбросы веществ с ог-

раниченным (обычно до нескольких суток) временем жизни в атмосфере, при-

водящие к загрязнению крупного региона, за пределами которого концентра-

ция загрязнителя быстро падает, однако в следовых количествах может на-

блюдаться повсеместно (оксиды серы и азота, пестициды, тяжелые металлы);

приводящие к загрязнению в локальном масштабе (на сравнитель-

но небольшой территории) – выбросы веществ с малым временем жизни в ат-

мосфере (грубодисперсные аэрозоли, сероводород и другие вещества, а также

18

некоторые представители предыдущего типа, например, оксиды серы и азота,

если они выбрасываются из низких источников).

2.3. Источники загрязнения атмосферы

Под загрязнением атмосферного воздуха следует понимать любое изме-

нение его состава и свойств, которое оказывает негативное воздействие на здоровье человека и животных, состояние растений и экосистем.

Существует два вида источников загрязнения атмосферы: естественные и антропогенные. Источники загрязнения атмосферы имеют различную при-

роду и происхождение. Основные источники загрязнения атмосферы [4,5]

представлены на рис. 2.

Рис. 2. Основные источники загрязнения воздуха Естественное загрязнение воздуха вызвано природными процессами. К

ним относятся вулканическая деятельность, выветривание горных пород, вет-

ровая эрозия, массовое цветений растений, дым от лесных и степных пожаров и др.

Антропогенное загрязнение связано с выбросом различных загрязняю-

щих веществ в процессе деятельности человека. По своим масштабам оно зна-

чительно превосходит природное загрязнение атмосферного воздуха.

В настоящее время основной вклад в загрязнение атмосферного воздуха на территории России вносят следующие отрасли: теплоэнергетика (тепловые

19