Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Техносфера и окружающая среда. Учебное пособие.pdf
Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное
учреждение высшего образования
«Тамбовский государственный технический университет»
А. В. КОЗАЧЕК
ТЕХНОСФЕРА И
ОКРУЖАЮЩАЯ СРЕДА
Утверждено Учёным советом университета
в качестве учебного пособия для студентов вузов, обучающихся
по направлениям подготовки бакалавров
05.03.06 «Экология и природопользование» (все профили),
20.03.01 «Техносферная безопасность« (все профили)
Учебное электронное издание
комплексного распространения
Тамбов
Издательство ФГБОУ ВО «ТГТУ»
2017
1
УДК 502.5:504.3:504.05:57.04
ББК 20.1
К59
Рецензенты:
Кандидат химических наук,
доцент кафедры «Химия и химические технологии»
ФГБОУ ВО «Тамбовский государственный технический университет»
А. Ю. Осетров
Кандидат биологических наук, доцент,
доцент кафедры «Биология»
ФГБОУ ВО «Тамбовский государственный университет
имени Г. Р. Державина»
Е. В. Малышева
Козачек, А. В.
К59
Техносфера и окружающая среда : учебное пособие / А. В. Козачек. – Тамбов : Изд-во ФГБОУ ВО «ТГТУ», 2017. – 1 электрон. опт.
диск (CD-ROM). – Системные требования : ПК не ниже класса
Pentium II ; CD-ROM-дисковод ;
95/98/
XP ; мышь. – Загл. с экрана.
25,5 Mb
; RAM ; Windows
ISBN 978-5-8265-1751-2
Рассмотрены особенности возникновения, функционирования и
структуры техносферы, теоретические основы и практические аспекты
загрязнения окружающей среды в техносфере.
Предназначено для студентов вузов, обучающихся по направлениям
подготовки бакалавров 05.03.06 «Экология и природопользование» (все
профили), 20.03.01 «Техносферная безопасность» (все профили) и изучающих дисциплины «Экология», «Техносфера и окружающая среда», «Промышленная экология», «Основы промышленной экологии», «Охрана окружающей среды».
УДК 502.5:504.3:504.05:57.04
ББК 20.1
Все права на размножение и распространение в любой форме остаются за разработчиком.
ISBN 978-5-8265-1751-2
Нелегальное копирование и использование данного продукта запрещено.
© Федеральное государственное
бюджетное образовательное учреждение
высшего образования «Тамбовский
государственный технический университет»
(ФГБОУ ВО «ТГТУ»), 2017
2
ВВЕДЕНИЕ
В учебном пособии рассмотрены особенности возникновения, функционирования и структуры техносферы, теоретические основы и практические аспекты загрязнения окружающей среды в техносфере.
Учебное пособие предназначено для студентов вузов, изучающих
дисциплины «Экология», «Техносфера и окружающая среда», «Промышленная экология», «Основы промышленной экологии», «Охрана окружающей среды» и обучающихся по направлениям подготовки бакалавров
05.03.06 «Экология и природопользование» (все профили), 20.03.01 «Техносферная безопасность» (все профили).
К компетенциям, на формирование которых направлено учебное пособие, можно отнести следующие:
а) общекультурные компетенции:
– способность к целенаправленному применению базовых знаний в
области естественных, в том числе экологических, наук в профессиональной деятельности;
– способность анализировать социально значимые проблемы и
процессы;
б) професси
– знать теоретические основы экологического мониторинга, нормирования и снижения загрязнения окружающей среды, техногенных систем
и экологического риска;
– способность использовать методы определения нормативных
уровней допустимых негативных воздействий на человека и природную
среду.
ональные компетенции:
3
1. ТЕОРИЯ ТЕХНОСФЕРЫ
1.1. ПРЕДПОСЫЛКИ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ТЕХНОСФЕРЫ
Потребности человека и окружающая среда. Человек, существуя
в окружающей среде, испытывает воздействие различных экологических
факторов, которые вызывают у него потребности. Например, сезонное
похолодание вызывает потребность человека в тёплой одежде. Действуя
в природе, человек непрерывно решает как минимум две основные задачи:
1) обеспечивает свои потребности в пище, воде и воздухе;
2) создаёт и испо
жающей среды.
Как и другие организмы, человек имеет свои потребности, удовлетворение которых способствует его существованию в природе.
К потребностям человека можно отнести (рис. 1):
− биологические потребности – обозначающие необходимость под-
держания жизнедеятельности человека как биологического вида;
Идеальные
потребности
Социальные
потребности
Биологические
потребности
4
льзует защиту от негативных воздействий окру-
Потребности
в духовном
развитии
Потребности
в самосовершенствовании
(быть ведущим учёным)
в самосовершенствовании
(быть ведущим учёным)
Политические потребности
(в признании, уважении, статусе)
Потребности в защищённости
(в здоровье, безопасности, защищённости)
Физиологические потребности
(в пище, силе и т.д.)
Рис. 1. Иерархия потребностей человека
Потребности
− социальные потребности – обозначающие необходимость нор-
мального существования человека в обществе себе подобных;
− идеальные – необходимость человека в духовном самосовершен-
ствовании.
Внутри каждой из этих групп потребностей выделяют различные
классы потребностей. В общем, все классы группы потребностей человека
согласно теории Абрахама Маслоу можно расположить в определённой
иерархии, что представлено на (рис. 1). В соотве
тствии с мнением учёных
(Маслоу, Герцберг) человек теоретически не способен удовлетворять какую-либо потребность, пока не удовлетворит предыдущую. Точно так же
удовлетворение какой-либо группы потребностей невозможно без удовлетворения предыдущей группы потребностей.
Таким образом, удовлетворение биологических потребностей чело-
века требует использовать как можно больше различных ресурсов.
Потребности человек
а и техногенез. На начальном этапе своего
развития человек взаимодействовал с естественной окружающей средой,
но в процессе эволюции человек, стремясь наиболее эффективно удовлетворять свои потребности в пище, в материальных ценностях, в защите от
климатических и погодных воздействий, непрерывно воздействовал на
естественную среду. Постоянная борьба за своё существование вынуждала человека нах
одить и совершенствовать технические средства защиты
от естественных негативных воздействий среды обитания. Фактически
человек стремился сформировать и искусственно расширить свою экологическую нишу, обеспечивая в ней искусственным путём постоянство
различных физических, химических и других характеристик.
Главным фактором выживания и существования человека в природе
стал техногенез, представляющий собой процесс зарождения техники,
создания чел
овеком всё более совершенных способов, орудий и устройств
для воздействия на окружающий материальный мир в целях создания и
потребления различных благ.
Выделяют следующие стадии техногенеза:
1. Антропогенез – начальная стадия создания человеком экологиче-
ской ниши природы, предполагавшая научение человека собирательству
ягод и плодов, охоте, одомашниванию животных, оборудованию первых
жилищ и т.д., инач
е говоря, человек учился пользоваться благами природы.
2. Точечный техногенез – включал возникновение земледелия и
первых поселений человека на точечных участках территории планеты.
3. Локальный техногенез – предполагал возникновение многополь-
ных систем земледелия, использование тяговой силы скота и зарождение
городов.
4. Микрорегиональный техногенез – характерен промышленной
революцией, использованием силы пара и формированием пер
вых про-
мышленных центров.
5
5. Мезорегиональный техногенез – включал развитие жилищ, энер-
гетики, транспорта, машиностроения и образование первых районов
с преобразованной окружающей среды (XIX век).
6. Макрорегиональный техногенез – включал развитие ядерной
энергетики, информационных систем, образование обширных техногенных районов с помощью преобразования окружающей среды (XX век).
7. Глобальный техногенез – охватил всю планету, при этом человек
изменяет климат, а би
осфера заменяется техносферой.
Рост населения как главный фактор техногенеза. Техногенез тес-
но связан с динамикой численности населения планеты. Эта связь состоит
в том, что техническое развитие цивилизации позволило человеку:
− использовать различные технические средства для своей защиты
от внешних воздействий и врагов;
− улучшить санитарно-гигиенические условия и повысить уровень
медицинского о
бслуживания;
− разработать новые способы получения и переработки сырья
в продовольственные, промышленные и бытовые продукты.
Данные факторы в совокупности привели к снижению смертности и
увеличению рождаемости населения. В итоге численность человечества
стала увеличиваться всё ускоряющимися темпами.
Так, согласно оценкам учёных, численность человечества на Земле
росла следующим образом
1
:
1 млн лет до н.э. – 100 тыс. человек;
000 до н.э. – 500 тыс. человек;
300
000 до н.э. – 5 млн человек;
25
4000 до н.э. – 100 млн человек;
1000 н.э. – 300 млн человек;
1500 н.э. – 425 млн человек;
1820 н.э. – 1 млрд человек;
1927 н.э. – 2 млрд человек;
1959 н.э. – 3 млрд человек;
1977 н.э. – 4 млрд человек;
1987 н.э. – 5 млрд человек;
1999 н.э. – 6 млрд человек;
2011 н.э. – 7 млрд человек.
Как видно, рост населения с течением времени по
стоянно ускорялся.
Сильный прирост начался с XV века н.э., а в XX веке наблюдался демографический взрыв, когда за 60 лет с середины XX века население мира
1
Зубилин И. Г., Холин Ю. В., Юшко В. К. Научные основы охраны природы
и рациональное природопользование. – Харьков : Фолио, 1999.
6
увеличилось в 2,5 раза. В настоящее время прирост населения мира составляет минимум по 100 млн человек в год.
Рост населения привёл к увеличению воздействия на окружающую
среду, это было связано с тем, что увеличение численности человечества
потребовало роста производства продукции для поддержания существования такого числа людей, что в свою очередь привело к у
скорению научнотехнического прогресса, интенсивному развитию техносферы и соответствующему увеличению воздействия на окружающую среду.
Динамика роста численности населения. В общем виде динамика
роста численности населения описывается уравнением Ферстера, Мора и
Амиота. Которая в упрощённом виде выглядит следующим образом:
000215
N
=
t
2027
, млн чел.,
t
−
где t – любой момент времени до 2027 года.
Как видно из формулы, численность населения Земли можно представить в виде гиперболы (рис. 2).
Численность
населения,
млн чел.
G
Период, лет
Рис. 2. Графическое представление динамики численности населения
ввп
7
Математическая динамика роста производства продукции описывается гиперболическим уравнением мирового валового внутреннего продукта (ВВП), предложенным Медисоном. В упрощённом виде уравнение
выглядит следующим образом:
1,57374917
=
ВВП
()
2006
, млрд междунар. долларов.
2
tG−
Из данного уравнения видно, что тенденция роста мирового ВВП и
соответственно роста воздействия на окружающую среду является квадратично гиперболической, т.е., проще говоря, каждое увеличение численности населения на определённую величину приводит к увеличению
в квадрате техногенного воздействия на окружающую среду.
Причины квадратичного роста техногенного воздействия на окружающую среду также оп
ределяются из модели Кремера, в соответствии
с которой высокая численность населения увеличивает число потенциальных изобретателей, что в свою очередь расширяет технологичность человечества и способствует ускорению технического прогресса и, соответственно, квадратичному росту темпов производства мирового ВВП.
Прогнозы учёных на XXI век по численности человечества и росту ми-
рового ВВП сво
дятся к тому, что гиперболический рост населения не может
быть бесконечен, поэтому, скорее всего, ориентировочно в 2030-х годах динамика численности населения изменится и будет описываться логистическим уравнением, в соответствии с которым численность населения
будет расти всё медленнее, стабилизируясь в итоге на уровне 10 – 14 млрд
человек, а с 2100 года начнётся уменьшение численности населения.
2. СТРУКТУРА ТЕХНОСФЕРЫ
1.
Сущность техносферы. Для достижения своих целей человек в про-
цессе техногенеза преобразовал значительную часть биосферы в техносферу. Техносфера представляет собой пространство, внутри которого
сосредоточена совокупность техногенного вещества (строений, оборудования) и техногенных процессов (передвижение транспорта, передача
энергии), служащих для поддержания существования всё возрастающего
числа людей.
С течением времени техносфера заняла значите
льную часть биосферы:
− в Европе не менее 65% территории;
− в Азии не менее 50% территории;
− в Северной Америке не менее 44% территории.
Практически всё население планеты в настоящее время проживает
в техносфере. По данным ООН, в настоящее время общая площадь обитае-
8
мой суши, занятой населением, составляет почти 137 млн км2, или около
92% всей суши. В среднем на одного человека приходится около 7000 м
поверхности суши, включая 250 м
зелёные насаждения, 2800 м
2
2
– на здания и сооружения, 750 м2 – на
– на пашню и 3200 м2 – на пастбища.
Созданная человеком техносфера для поддержания своего существования постоянно потребляет различные природные ресурсы из окружающей среды, и перерабатывает их в продукты производства, используемые
человеком. В процессе потребления и переработки природных ресурсов
в техносфере образуются отходы потребления и производства. Также техносфера потребляет значительное количество природной энергии и, соответственно, выд
еляет энергию собственного производства в окружающую
среду. Таким образом, с помощью потоков веществ и энергии техносфера
связана с окружающей средой и воздействует на неё (рис. 3).
По различным оценкам общая масса техносферы составляет от 10 до
20 тыс. Гт. Из них основная часть образует скопление горной массы, отработанных руд, перемещённых грунтов, п
роизводственных отходов, оставленные сооружения, развалины и т.д. Эта часть техносферы называется
какосфера. Действующая техносфера, т.е. используемые людьми основные производственные фонды, сооружения, орудия производства, предметы потребления, составляют малую часть общей массы техносферы –
всего лишь 150…200 Гт.
Сфера добычи
и изъятия
природных
ресурсов из
окружающей
среды
Биосфера Атмосфера Гидросфера Литосфера Педосфера Кос мосфера
Продукты и услуги
Переработка и использование части отходов и энергии
ОКРУЖАЮЩАЯ ПРИРОДНАЯ СРЕДА
ТЕХНОСФЕРА
Сфера производства
(фирмы )
Рыночная экономика
Сфера потребления
дом ( охозяйства)
производства и потребления
Рис. 3. Структура взаимодействия техносферы с окружающей средой
Рабочая сила
Сфера отвода
отходов и и злишков техн огенной энергии
в окружающую
среду
9
2
Наиболее активная часть техносферы, т.е. вся совокупность орудий
производства, механизмов, агрегатов, реакторов, действующих коммуникаций (предприятия) и т.д., имеет массу 10…15 Гт и в настоящее время
обновляется за средний срок – порядка 10 лет.
В структуре действующей техносферы, т.е. в активной техносфере,
выделяют:
− урбосферу – пространство земли, занятое построениями человека;
омышленную сферу – пространство земли, занятое добываю-
− пр
щими и перерабатывающими предприятиями;
− рекреационную сферу – включает пространство, оставленное
человеком для отдыха, созерцания, спорта;
− агросферу – пространство земли, предназначенное для выращива-
ния растительных и животноводческих ресурсов, необходимых человеку;
− космосферу – включает искусственные космические аппараты и
станции, предназначенные для человека вне пределов планеты Земля;
− транспортную сферу – п
редставляет собой транспортные сооружения, трубопроводы, которые охватывают всю планету, соединяющие
все остальные части техносферы вместе с собой, обеспечивая перемещения веществ, энергии и организмов между различными точками пространства;
− инфосферу – виртуальная часть пространства, существование
которой обеспечивается за счёт компьютерных сетей и устройств;
− энергосферу – совокупность всех эне
ргетических сооружений и
сетей планеты, которая обеспечивает добычу энергии из природы и её
передачу в основные части техносферы.
Потоки веществ и энергии в техносфере. Взаимодействие человека
со средой обитания, как было показано ранее, основано на передаче между элементами системы потоков масс веществ и их соединений, энергий
всех видов и информации или потоков техногенного вещества.
Человеку эти потоки необходимы для удовлетворения своих
потребностей в пище, воде, воздухе, солнечной энергии, информации
об окружающей среде и для выделения в жизненное пространство
потоков механической и интеллектуальной энергии, потоков масс в виде
отходов биологического процесса, потоков тепловой энергии и др.
Обмен потоками вещества и энергии характерен и для процессов,
происходящих без участия человека. Естественная среда обеспечивает
поступление на нашу планету потоков солнечной энергии, что создаёт
в свою очередь потоки растительной и животной массы в биосфере,
потоки абиотических веществ (воздух, вода и др.), потоки энергии
различных видов, в том числе и при стихийных явлениях.
Для техносферы характерны потоки всех видов сырья и энергии,
многообразие потоков продукции; потоки отходов (выбросы в атмосферу,
10