Прикладная экология. Учебное пособие

Нижнем Тагиле, Уфе, Челябинске, Магнитогорске, Новокузнецке, Омске, Череповце.

Вещества, загрязняющие атмосферу, подразделяют также на первичные и вторичные:

первичные – это вещества, содержащиеся непосредственно в выбросах предприятий и поступающие с ними от разных источников;

вторичные – являются продуктами трансформации первичных или вторичного синтеза. Они нередко более опасны по сравнению с первичными веществами.

3. Физические и экологические последствия загрязнения атмосферы

Атмосфера Земли постоянно циркулирует: поднимающийся вверх теплый воздух у экватора замещается холодными воздушными потоками, движущимися от полюсов. Атмосфера является термодинамической системой. Различают 3 типичных состояния атмосферы: нейтральное, неустойчивое и устойчивое.

Неустойчивое состояние атмосферы способствует как рассеиванию, так и переносу загрязнителей.

Высокие скорости ветра увеличивают разбавляющую роль атмосферы, способствуя очищению приземного слоя. В условиях безветрия рассеивание вредных веществ происходит в непосредственной близости от источника выбросов.

Между атмосферным загрязнителем и круговоротом главных биогенных элементов отмечается четкая связь. За счет газов антропогенного происхождения образуются кислотные дожди и смог.

Кислотные дожди – серная и азотная кислоты, образующиеся при растворении в воде диоксидов серы и азота и выпадающие на поверхность земли вместе с дождем, туманом, снегом или пылью.

Кислотные дожди большей частью наблюдаются в районах с развитой промышленностью. По данным Росгидромета, на территории России (за исключением Северо-Кавказского региона, Республики Калмыкия, Астраханской области) в конце ХХ века ежегодно с осадками выпадало 4,22 млн. тонн серы, 1,25 млн. тонн нитратного азота и 4 млн. тонн суммарного азота (нитратного и аммонийного).

Выпадение осадков с повышенной кислотностью в первую очередь относится к северо-западу России, Предуралью, западным

43

41

ицентральным районам Воронежской, Ростовской и Волгоградской областей, акваториям Финского залива и Ладожского озера.

Сувеличением численности мирового парка автомобилей растет валовой выброс вредных продуктов. Неблагоприятное влияние на организм человека оказывают соединения свинца, имеющиеся в выхлопных газах автотранспорта. Присутствие свинца в крови человека возрастает с увеличением его содержания в воздухе, что приводит к снижению активности ферментов, участвующих в насыщении крови кислородом, к нарушению обменных процессов.

В атмосферном воздухе, в первую очередь промышленных центров и городов, в результате сложных химических реакций смеси газов, протекающих в нижних его слоях под действием солнечного света, образуются различные вещества, ядовитый туман. Такой ядовитый туман получил название «смог». Его возникновению способствуют определенные метеорологические условия: отсутствие ветра и дождя.

Смог крайне вреден для живых организмов. Во время смога ухудшается самочувствие людей, резко возрастает число легочных

исердечно-сосудистых заболеваний, возникают эпидемии гриппа. Густой ядовитый туман, появляющийся в осенне-зимнее

время, получил название смог лондонского типа. Его главным компонентом является сернистый газ, вызывающий катар верхних дыхательных путей, бронхит.

Более опасный тип смога – фотохимический, или лосанджельский, наблюдающийся в теплое время года. Он возникает в воздухе, загрязненном выбросами автотранспорта, под действием солнечной радиации и в результате фотохимических реакций. Фотохимический смог вызывает раздражение глаз, слизистых оболочек носа и горла, обострение легочных и различных хронических заболеваний, приводит к болезни и гибели домашних животных и растений. Он вызывает коррозию металлов, растрескивание красок, резиновых и синтетических изделий, порчу одежды.

С антропогенными изменениями атмосферы связано и разрушение озонового слоя, который является защитным экраном от ультрафиолетового излучения. Особенно быстро процесс разрушения озонового слоя происходит над полюсами планеты. Опасность истощения озонового слоя заключается в том, что может снизиться поглощение губительного для живых организмов ультрафиолетового излучения.

44

42

Многие ученые считают, что одной из причин истощения озонового слоя (экрана) является применение людьми фреонов, которые используются в быту и производстве в виде аэрозолей, пенообразователей, растворителей и т.д.

Фреоны, попадая в атмосферу, разлагаются в стратосфере с выделением атомов хлора, которые катализируют превращение озона в кислород. В нижних слоях атмосферы фреоны могут сохраняться в течение десятилетий.

Один запуск американского челнока «Шатал» приводит к уничтожению 10 млн. тонн озона. Для полного уничтожения всего озонового слоя достаточно 300 таких запусков.

Быстрыми темпами растет в атмосфере содержание углекислого газа и метана. Эти газы обусловливают «парниковый эффект».

Они пропускают солнечный свет, но частично задерживают тепловое излучение, испускаемое поверхностью Земли. За последние 100 лет концентрация углекислого газа выросла на 25%, а метана – на 100%. Это сопровождалось глобальным повышением температуры. Повышение температуры идет параллельно росту концентрации углекислого газа в воздухе.

По прогнозам, на Земле средняя температура воздуха по сравнению с доиндустриальной эпохой повысится к 2050 году на 1,5-2,5ºС, к 2100 году – на 6ºС. потепление может привести к интенсивному таянию ледников и повышению на 0,5-1,5 м уровня Мирового океана, при этом окажутся затопленными многие густонаселенные прибрежные районы.

Современное промышленное производство загрязняет атмосферу не только газообразными и твердыми примесями, но и тепловыми выбросами, электромагнитными полями, ультрафиолетовыми, инфракрасными, световыми излучениями и другими физическими факторами. Наиболее распространенным видом физического воздействия на атмосферу в городах и крупных поселках является шум, возникающий при работе транспортных средств, оборудования промышленных и бытовых предприятий, реактивных самолетов при взлете и посадке.

Уровень шума в 20-30 дБ практически безвреден для человека, является естественным шумовым фоном. У людей, живущих и работающих в неблагоприятных акустических условиях (80 и более децибелов), имеются признаки изменения функционального состояния центральной нервной и сердечно-сосудистой систем.

45

43

Вконце ХХ-ХХI вв. в крупных городах России уровни шума на главных магистралях достигают уровня 95 дБ, что приводит к превышению санитарных норм (55 дБ) в близлежащих жилых помещениях в 1,7 раза и более. Территории с превышением допустимых уровней шума расширяются.

Помимо Москвы сложная акустическая ситуация наблюдается

втаких городах, как Новосибирск, Нижний Новгород, Магнитогорск, Иркутск, Барнаул, Сочи, Екатеринбург, Минеральные воды и др.

Население, как правило, крупных городов, подвергается также действию вибрации – малых механических колебаний низкой частоты, возникающих в телах под действием переменного физического поля. Вибрация возникает при движении рельсового транспорта, тяжелых грузовых автомобилей, при работе промышленных предприятий. Особенно возросли вибрации жилых зданий

всвязи со строительством метрополитенов неглубокого залегания. При движении рельсового транспорта допустимые уровни вибрации для ночного времени (25-43 дБ), в зависимости от частоты вибрации, в жилых зданиях, расположенных на расстоянии 50 м от трассы движения, превышаются по виброускорению в 2,1-2,4 раза.

Внастоящее время уровень электромагнитных излучений

(ЭМИ) или электромагнитных полей (ЭМП), созданных человеком и «загрязняющих» атмосферу, в сотни раз превышает средний уровень диапазонов.

ЭМИ оказывают влияние на нервную и эндокринную системы, на репродуктивную функцию, на сердечно-сосудистую систему и обмен веществ человека. Наиболее высока чувствительность организма к многократным воздействиям.

Источниками электромагнитных излучений являются теле- и радиопередающие устройства, электрифицированные транспортные линии и линии электропередач.

46

44

4. Меры по предотвращению загрязнений атмосферного воздуха

Эффективный путь снижения вредных выбросов в атмосферу - внедрение безотходных и малоотходных производств и технологических процессов, повышение эффективности действующих установок очистки воздуха, внедрение замкнутых воздушных циклов с частотой рециркуляции воздуха. Промышленные агрегаты, особенно вновь вводимые, должны быть оборудованы пыле- и газоулавливающими средствами. Классификация пылеулавливающих систем основана на принципиальных особенностях процесса очистки.

Применяемое в этих целях оборудование делят на 4 группы: сухие и мокрые пылеулавливатели, тканевые фильтры и электрофильтры. Выбор того или иного типа оборудования зависит от вида пыли, ее физико-химических свойств, дисперсного состава и общего содержание в воздухе.

От характера протекания физико-химических процессов методы очистки промышленных отходов делятся на следующие группы: промывка выбросов растворителями примеси; промывка выбросов растворами реагентов, связывающих примеси химически; поглощение газообразных примесей твердыми активными веществами; поглощение примесей с применением катализаторов.

Более эффективно применять полностью или частично замкнутые воздушные циклы.

Считалось, что атмосферный воздух загрязняют промышленные предприятия городов, а жители сельских районов страдают за чужие грехи. Однако это не так. Практически в каждом населенном пункте дымит котельная. В райцентрах и населенных пунктах немало предприятий жилищно-коммунального хозяйства, предприятий по переработке сельхозпродукции и т.п. Как правило, на этих предприятиях используется старое оборудование, идет постоянное загрязнение атмосферного воздуха.

В улучшении воздушной среды городов и поселков большое значение имеют архитектурные и планировочные мероприятия. Структура планировки должна способствовать улучшению микроклимата и защите воздушного бассейна.

Необходимо учитывать основные источники загрязнения окружающей среды – промышленные объекты и установки, авто-

47

45

дороги, аэропорты и аэродромы, железные дороги, телецентры, радиостанции, электростанции, ЛЭП и т.д.

Зеленые насаждения являются биофильтром, отфильтровывают вредные примеси, радиоактивные частицы, поглощают шум.

В целом защита атмосферного воздуха должна проводиться не только в региональном или местном масштабах, а в первую очередь - в глобальном, поскольку воздух не знает никаких границ и находится в вечном движении.

Вопросы для самопроверки

1.Какова структура атмосферы?

2.Какие функции есть у атмосферы?

3.Дайте классификацию основных источников загрязнения атмосферы.

4.Каковы последствия загрязнения атмосферы?

5.Какие меры необходимо принимать для защиты атмосферного воздуха?

48

46

Тема 6. Водные ресурсы: рациональное использование и охрана

План

1.Основные сведения о гидросфере.

2.Роль воды в природе и жизни человека.

3.Запасы пресной воды.

4.Использование водных ресурсов.

5.Источники загрязнения водных ресурсов.

6.Меры по очистке и охране вод.

1. Основные сведения о гидросфере Гидросфера – это совокупность всех вод Земли: материковых

(глубинных, почвенных, поверхностных), океанических, атмосферных

[5].

Вследствие высокой подвижности воды проникают повсеместно в различные природные образования. Они находятся в виде паров и облаков в земной атмосфере, формируют океаны и моря, существуют в замороженном состоянии в высокогорных районах континентов и в виде мощных ледяных панцирей покрывают полярные участки суши. Атмосферные осадки проникают в толщи осадочных пород, образуя подземные воды.

Вода способна растворять в себе многие вещества. Гидросфера находится в тесной зависимости с литосферой (подземные воды), атмосферой (парообразная влага) и живым веществом биосферы, в которое она входит в качестве обязательного компонента.

Подавляющая часть массы природных вод (94,2 %) – это воды Мирового океана, представляющего собой уникальную природную систему. Здесь происходит грандиозный процесс обмена, трансформации энергии и вещества нашей планеты.

Различные физические, химические и биологические процессы объединяются, образуя единую природу океана – древнейшую область биосферы Земли.

Наиболее чистые атмосферные воды содержат 10-50 мг/л растворенных веществ. Морская (океаническая) вода представляет собой раствор, содержащий в среднем в 1 кг 35 г вещества. Можно считать, что в морской воде присутствуют все химические элементы таблицы Менделеева. Однако преобладающая часть растворенных веществ сложена немногими химическими элементами:

49

47

натрий, магний, кальций, хлор, углерод, сера. Они находятся в виде ионов различного типа. Другие химические элементы присутствуют в морской воде в более низких концентрациях, чем главные ионы. Некоторые элементы, несмотря на относительно низкую концентрацию, играют важную роль в химических процессах моря и в морских организмах (например, азот, фосфор, кремний).

2. Роль воды в природе и жизни человека

По словам академика В.И. Вернадского [5], «вода стоит особняком в истории нашей планеты. Нет природного тела, которое могло бы сравниться с ней по влиянию на ход основных, самых грандиозных, геологических процессов».

Откуда появилась вода на Земле? До сих пор на этот вопрос нет однозначного ответа. За миллиарды лет существования планеты ее океаны вполне могли бы наполниться водой от вулканических извержений, доставляющих и сейчас на поверхность из глубин миллионы тонн воды ежегодно. Но если подсчитать, сколько за это время упало на Землю метеоритов, содержащих воду, и сколько воды образовал на подступах к планете поток водородных ядер, то реальным окажется и космический источник.

Вода является одним из самых сложных веществ, как с физической, так и с химической точек зрения. Вода относится к веществам, которые наиболее трудно получить в чистом виде. Чистая вода – это смесь легкой воды (Н2О) и очень малых количеств тяжелой и сверхтяжелой воды.

Вода, как известно, может находиться в жидком, твердом и газообразном состояниях. Она остается жидкостью в температурных интервалах, наиболее подходящих для жизненных процессов. Для огромной массы организмов вода является средой их жизни и эволюции. В определенное время года вода может замерзнуть и покрыться льдом. Замерзание идет сверху вниз, лед легче воды и плавает на поверхности. Если бы лед был тяжелее воды, водоемы промерзали бы до дна и жизнь в них замерзала.

Высокая удельная теплоемкость, медленное нагревание и охлаждение наряду с другими факторами определяют годовые, суточные и даже часовые колебания температуры океанов и озер. Жизнь в воде многообразнее, чем на суше. Природные воды находятся в сложных обратимых взаимоотношениях с организмами, горными породами, атмосферой.

50

48

В водообмене на суше значительную роль играют растения, откачивающие влагу из почвы и испаряющие ее в атмосферу. Большая часть воды, попадающей в реки, быстро возвращается в океан, и лишь 2% речного стока поступает в бессточные впадины.

Вода является главным фактором, определяющим климат на поверхности Земли. Главная роль воды состоит в том, что она является средой и источником водорода для жизненных процессов. Без воды, как известно, не может происходить фотосинтез. Вода – единственный источник кислорода, выделяемый в атмосферу при фотосинтезе. Вода необходима для биохимических и биофизических процессов, обеспечивающих возможность жизни на Земле.

Главным потребителем воды на Земле являются человечество и его деятельность. И не случайно все великие цивилизации древности возникали и развивались вблизи воды.

Итак, вода – хранитель и распределитель на нашей планете солнечной энергии, главный творец климата, ежедневной погоды, аккумулятор тепла и необходимейшее условие жизни на планете.

3. Запасы пресной воды

Из общего количества воды на Земле столь нужная для человечества пресная вода составляет немногим более 2% от общего объема гидросферы, или примерно 28,25 млн. км3.

Воды, пригодные для всех видов использования, составляют ничтожную часть общих запасов воды на Земле. Проблема усложняется и тем, что распределение пресной воды по земному шару край-не неравномерно. В Европе и Азии, где проживает 70% населения мира, сосредоточено лишь 39% речных вод.

Россия по ресурсам поверхностных вод занимает ведущее место в мире. В целом в России на одного жителя приходится 31,9 тыс. м3 пресной воды в год. Водообеспеченность на 1 км2 территории колеблется от 130 тыс. м3 в Центрально-Черноземном районе до 610 в Волго-Вятском, а на одного жителя – от 2,8 тыс. км3 в Центрально-Черноземном районе до 307, 5 в Дальневосточном. Недостаточно обеспечены собственными водными ресурсами Ростовская, Астраханская, Липецкая, Воронежская, Белгородская, Курганская области, Республика Калмыкия и некоторые другие территории.

51

49

4. Использование водных ресурсов

Ученые ошибочно полагали, что в распоряжении человечества находятся неисчерпаемые запасы пресной воды и что они достаточны для всех нужд. Человечеству не угрожает недостаток воды. Ему грозит нечто худшее – недостаток чистой воды.

Проблема недостатка пресной воды возникла по следующим основным причинам:

1.Интенсивное увеличение потребностей в воде в связи с быстрым ростом народонаселения планеты и развитием отраслей деятельности, требующих огромных затрат водных ресурсов.

2.Потери пресной воды вследствие сокращения водоносности рек и других причин.

3.Загрязнение водоемов промышленными и бытовыми стоками.

Потребности в чистой, пресной воде с каждым годом растут. Достаточно отметить, что на производство 1 т стали расходуется 250 м3, целлюлозы – 1500 м3 воды. Крупнейшим водопотребителем явля-

ется сельское хозяйство. Для получения 1 т пшеницы требуется 1500 м3.

Всовременных условиях среднее удельное водопотребление в городах и населенных пунктах составляет около 250 л/сут. на человека.

В2000 г. расход воды на производственные нужды составил 57,9%, сельское хозяйство (орошение) – 13,7%, хозяйственнопитьевые – 20,3%, прочие нужды – 6%. Суммарный объем забора свежей воды равнялся 3% среднемноголетнего стока. Однако по ряду бассейнов рек величина водозабора достигает 50 и более процентов, что превышает экологически допустимый отбор воды.

5. Источники загрязнения воды

Источник, вносящий в поверхностные или подземные воды различные вредные вещества, микроорганизмы или тепло, называется источником загрязнения [5]. Вещества, нарушающие нормы качества воды, – загрязняющими.

Природные воды могут быть загрязнены самыми разными примесями, которые разделяют с учетом их биологических и физи- ко-химических свойств на группы. К первой группе относятся вещества, растворяющиеся в воде и находящиеся там в молекулярном или ионном состоянии (кислород, азот, соли, диоксид углерода, сернистый газ и т.д.). Вторая группа примесей – те, что обра-

52

50