3.2 Состав биосферы: литосфера, гидросфера, атмосфера, проблемы их загрязнения

Разберём более подробно составляющие биосферы.

Земная кора – это преобразованная в ходе геологического времени твёрдая оболочка, слагающая верхнюю часть литосферы Земли [6]. Целый ряд минералов земной коры (известняки, мел, фосфориты, нефть, уголь и др.) возникли из тканей погибших организмов. Парадоксальный факт, что сравнительно небольшие живые организмы смогли вызвать явления геологического масштаба, что объясняется их высочайший способностью к размножению. Например, холерный вирион при благоприятных условиях может создать массу вещества, равную массе земной коры всего за 1,75 суток! Можно предположить, что в биосферах прежних эпох колоссальные массы живого вещества перемещались по планете, образуя в результате гибели запасы нефти, угля и т.п.

Биосфера существует, используя многократно одни и те же атомы. При этом на долю 10 элементов, расположенных в первой половине периодической системы (кислород – 29,5%, натрий, магний – 12,7%, алюминий, кремний – 15,2%, сера, калий, кальций, железо – 34,6%) приходится 99% всей массы нашей планеты (масса Земли – 5976*10²¹кг), а 1% на долю остальных элементов [5]. Однако значение этих элементов очень велико – они играют существенную роль в живом веществе.

В.И. Вернадский разделил все элементы биосферы на 6 групп, каждая из которых выполняет определенные функции в жизни биосферы [5]. Первая группа – инертные газы (гелий, криптон, неон, аргон, ксенон). Вторая группа – благородные металлы (рутений, палладий, платина, осмий, иридий, золото). В земной коре элементы этих групп химически малоактивны, их масса незначительна (4,4*10^-4% от массы земной коры), а участие в образовании живого вещества слабо изучено. Третья группа – лантаноиды (14 химических элементов — металлов) составляют 0,02% от массы земной коры и их роль в биосфере не изучена. Четвертая группа – радиоактивные элементы являются основным источником образования внутреннего тепла Земли и оказывают влияние на рост живых организмов (0,0015% массы земной коры). Некоторые элементы пятой группы – рассеянные элементы (0,027% земной коры) – играют существенную роль в жизни организмов (например, йод и бром). Самую большую шестую группу составляют циклические элементы, которые, пройдя ряд превращений в геохимических процессах, возвращаются к исходным химическим состояниям. К этой группе относятся 13 легких элементов (водород, углерод, азот, кислород, натрий, магний, алюминий, кремний, фосфор, сера, хлор, калий, кальций) и один тяжелый элемент (железо) [5].

Биота – это совокупность всех видов растений, животных и микроорганизмов. Биота является активной частью биосферы, определяющей все важнейшие химические реакции, в результате которых создаются основные газы биосферы (кислород, азот, окись углерода, метан) и устанавливаются между ними количественные соотношения. Биота непрерывно образует биогенные минералы и поддерживает постоянный химический состав океанических вод. Её масса составляет не более 0,01% от массы всей биосферы и ограничивается количеством углерода в биосфере. Основную биомассу составляют зеленые растения суши – около 97%, а биомасса животных и микроорганизмов – 3%.

Биота в основном состоит из циклических элементов. Особенно велика роль таких элементов, как углерод, азот и водород, процентное содержание которых в биоте выше, чем в земной коре (углерода в 60 раз, азота и водорода в 10 раз) [5]. На рисунке приведена схема замкнутого углеродного цикла. Только благодаря круговороту основных элементов в таких циклах (прежде всего углерода) возможно существование жизни на Земле.

Загрязнение литосферы. Жизнь, биосфера и важнейшее звено и в ее механизме – почвенный покров, привычно называемый землей, – составляют уникальность нашей планеты во вселенной. И в эволюции биосферы, в явлениях жизни на Земле значение почвенного покрова (суши, мелководий и шельфа) как особой планетарной оболочки неизменно возросло.

Почвенный покров – важнейшее природное образование. Его роль в жизни общества определяется тем, что почва представляет собой основной источник продовольствия, обеспечивающий 95-97% продовольственных ресурсов для населения планеты [2]. Особое свойство почвенного покрова – его плодородие, под которым понимается совокупность свойств почвы, обеспечивающих урожай сельскохозяйственных культур [19]. Естественное плодородие почвы связано с запасом питательных веществ в ней и ее водным, воздушным и тепловым режимами. Почва обеспечивает потребность растений в водном и азотном питании, являясь важнейшим агентом их фотосинтетической деятельности. Плодородие почвы зависит также от величины аккумулированной в ней солнечной энергии. Почвенный покров принадлежит к саморегулирующейся биологической системе, являющейся важнейшей частью биосферы в целом. Живые организмы, растения и животные, населяющие Землю, фиксируют солнечную энергию в форме фито– или зоомассы. Продуктивность наземных экосистем зависит от теплового и водного балансов земной поверхности, который определяет многообразие форм обмена энергией и веществом в пределах географической оболочки планеты.

Особое внимание нужно уделить земельным ресурсам. Площадь земельных ресурсов мира составляет 149 млн. км², или 86,5% площади суши [2]. Пашня и многолетние насаждения в составе сельскохозяйственных угодий в настоящее время занимают около 15 млн. км² (10% суши), сенокосы и пастбища – 37.4 млн. км² (25%) [2].Общая площадь пахотнопригодных земель оценивается различными исследователями по-разному: от 25 до 32 млн. км^2. Земельные ресурсы планеты позволяют обеспечить продуктами питания больше населения, чем имеется в настоящее время и будет в ближайшем будущем. Вместе с тем в связи с ростом населения, особенно в развивающихся странах, количество пашни на душу населения сокращается. Еще 10-15 лет назад душевная обеспеченность пашней населения Земли составляла 0,45-0,5га, в настоящее время она составляет уже 0,35-37 га [2].

Все пригодные для употребления вещественные составляющие литосферы, используемые в хозяйстве как сырье или источники энергии, называются минеральными ресурсами. Минеральное сырье может быть рудным, если из него извлекаются металлы, и нерудным, если из него извлекаются неметаллические компоненты (фосфор и т.д.) или используются как строительные материалы [2].

Если же минеральное богатство используется как топливо (уголь, нефть, газ, горючие сланцы, торф, древесина, атомная энергия) и одновременно как источник энергии в двигателях для получения пара и электричества, то их называют топливно-энергетическими ресурсами [2].

Гидросфера. Вода занимает преобладающую часть биосферы Земли (71% земной поверхности) и составляет около 4% массы земной коры. Её средняя мощность равна 3,8 км, средняя глубина – 3554м, площадь: 1350 млн. км² – океаны, 35 млн. км² – пресные воды [6].

На массу океанической воды приходится 97% массы всей гидросферы (2*10²¹кг). Роль океана в жизни биосферы огромна: в нем протекают основные химические реакции, обуславливающие производство биомассы и химическую очистку биосферы. Так, за 40 дней поверхностный пятисотметровый слой воды в океане проходит через фильтрационный аппарат планктона, следовательно (с учетом перемешивания) в течение года вся океаническая вода океана подвергается очистке. Все составляющие гидросферы (водяные пары атмосферы, воды морей, рек, озер, ледников, болот, подземные воды) находятся в непрерывном движении и обновлении.

Вода – основа биоты (живое вещество на 70% состоит из воды) и ее значение в жизни биосферы является определяющим. Можно назвать такие важнейшие функции воды, как:

1. производство биомассы;

2. химическая очистка биосферы;

3. обеспечение углеродного баланса;

4. стабилизация климата (вода выполняет роль буфера в тепловых процессах на планете).

Огромное значение мирового океана состоит в том, что он продуцирует своим фитопланктоном почти половину всего кислорода атмосферы, т.е. является своего рода «легкими» планеты. При этом растения и микроорганизмы океана в процессе фотосинтеза усваивают ежегодно значительно большую часть углекислого газа, чем поглощают растения на суше.

Живые организмы океана – гидробионаты – подразделяются на три основные экологические группы: планктон, нектон и бентос [9]. Планктон – совокупность пассивно плавающих и переносимых морскими течениями растений (фитопланктон), живых организмов (зоопланктон) и бактерий (бактериопланктон). Нектон – это группа активно плавающих живых организмов, перемещающихся на значительные расстояния (рыбы, китообразные, тюлени, морские змеи и черепахи, кальмары осьминоги и др.). Бентос – это организмы, обитающие на морском дне: сидячие (кораллы, водоросли, губки); роющие (черви, моллюски); ползающие (ракообразные, иглокожие); свободно плавающие у самого дна. Наиболее богаты бентосом прибрежные районы океанов и морей [9].

Мировой океан – источник огромных минеральных ресурсов. Уже сейчас из него добывается нефть, газ, 90% брома, 60% магния, 30% поваренной соли и т.д [5]. В океане имеются огромные запасы золота, платины, фосфоритов, окислов железа и марганца, других минералов. Уровень добычи полезных ископаемых в океане постоянно растет.

Загрязнение гидросферы. Во многих регионах мира состояние водоемов вызывает большую тревогу. Загрязнение водных ресурсов не без основания рассматривается сейчас как самая серьезная угроза окружающей среде. Речная сеть фактически функционирует как естественная канализационная система современной цивилизации.

Наиболее загрязненными оказываются внутренние моря [3]. Они имеют более длинную береговую линию и поэтому больше подвержены загрязнениям. Накопленный опыт борьбы за чистоту морей свидетельствует о том, что это несравнимо более трудная задача, чем охрана рек и озер.

Процессы загрязнения вод обусловлены различными факторами. Основные из них: 1) сброс в водоёмы неочищенных сточных вод; 2) смыв ядохимикатов ливневыми осадками; 3) газодымовые выбросы; 4) утечка нефти и нефтепродуктов [3].

Наибольший вред водоёмам причиняет выпуск в них неочищенных сточных вод – промышленных, коммунально-бытовых, коллекторно-дренажных и др. Промышленные сточные воды загрязняют экосистемы различными компонентами в зависимости от специфики отраслей промышленности.

Уровень загрязнения российских морей (за исключением Белого моря), по данным Государственного доклада «О состоянии окружающей среды Российской Федерации», в 1998г. превышал ПДК по содержанию углеводородов, тяжелых металлов, ртуть; поверхностно активных веществ (ПАВ) в среднем в 3-5 раз [3].

Попадание загрязнений на дно океана оказывает серьезное влияние на характер биохимических процессов. В связи с этим приобретает особое значение оценка экологической безопасности при планируемой добычи полезных ископаемых со дна океана, прежде всего железно-марганцевых конкреций, содержащих марганец, медь, кобальт и другие ценные металлы. В процессе сгребания дна на длительный период будет уничтожена сама возможность жизни на дне океана, а попадание на поверхность извлеченных со дна веществ может вредно отразиться на воздушной атмосфере региона.

Огромный объем Мирового океана свидетельствует о неисчерпаемости природных ресурсов планеты. Кроме того, Мировой океан является коллектором речных вод суши, ежегодно принимая около 39 тыс. км³ воды [3]. Наметившееся загрязнение Мирового океана грозит нарушить естественный процесс влагооборота в его наиболее ответственном звене – испарении с поверхности океана.

В Водном Кодексе Российской Федерации понятие «водные ресурсы» определяется как «запасы поверхностных и подземных вод, находящиеся в водных объектах, которые используются или могут быть использованы» [6]. Вода является важнейшим компонентом окружающей среды, возобновляемым, ограниченным и уязвимым природным ресурсом, используется и охраняется в Российской Федерации как основа жизни и деятельности народов, проживающих на ее территории, обеспечивают экономическое, социальное, экологическое благополучие населения, существование животного и растительного мира.

Всякий водоем или водный источник связан с окружающей его внешней средой. На него оказывают влияние условия формирования поверхностного или подземного водного стока, разнообразные природные явления, индустрия, промышленное и коммунальное строительство, транспорт, хозяйственная и бытовая деятельность человека. Последствием этих влияний является привнесение в водную среду новых, несвойственных ей веществ – загрязнителей, ухудшающих качество воды. Загрязнения, поступающие в водную среду, классифицируют по-разному, в зависимости от подходов, критериев и задач. Так, обычно выделяют химическое, физическое и биологическое загрязнения. Химическое загрязнение представляет собой изменение естественных химических свойств воды за счет увеличения содержания в ней вредных примесей как неорганической (минеральные соли, кислоты, щелочи, глинистые частицы), так и органической природы (нефть и нефтепродукты, органические остатки, поверхностно активные вещества, пестициды) [24].

Несмотря на огромные средства, затрачиваемые на строительство очистных сооружений, многие реки по-прежнему остаются грязными, особенно на урбанизированных территориях. Процессы загрязнения коснулись даже Мирового океана. И это не кажется удивительным, так как все попавшие в реки поллютанты в конечном счете устремляются в океан и достигают его, если являются трудно разлагаемыми [24].

Экологические последствия загрязнения морских экосистем выражаются в следующих процессах и явлениях [24]:

• нарушение устойчивости экосистем;

• прогрессирующий эвтрофикации;

• появление «красных приливов»;

• накопление химических токсикантов в биоте;

• снижение биологической продуктивности;

• возникновение мутагенеза и канцерогенеза в морской среде;

• микробиологическое загрязнение прибрежных районов мира.

Защита водной экосистемы сложная и очень важная проблема. С этой целью предусматриваются следующие экозащитные мероприятия:

– развитие безотходных и безводных технологий; внедрение систем оборотного водоснабжения;

– очистка сточных вод (промышленных, коммунально-бытовых и др.);

– закачка сточных вод в глубокие водоносные горизонты;

– очистка и обеззараживание поверхностных вод, используемых для водоснабжения и других целей [24].

Главный загрязнитель поверхностных вод – сточные воды, поэтому разработка и внедрение эффективных методов очистки сточных вод представляется весьма актуальной и экологически важной задачей. Наиболее действенным способом защиты поверхностных вод от загрязнения их сточными водами является разработка и внедрение безводной и безотходной технологии производства, начальным этапом которой является создание оборотного водоснабжения.

При организации системы оборотного водоснабжения в неё включают ряд очистных сооружений и установок, что позволяет создать замкнутый цикл использования производственных и бытовых сточных вод. При таком способе водоподготовки сточные воды все время находятся в обороте и попадание их в поверхностные водоемы полностью исключено.

Ввиду огромного многообразия состава сточных вод существуют различные способы их очистки: механический, физико-химический, химический, биологический и др. В зависимости от степени вредности и характера загрязнений очистка сточных вод может производиться каким-либо одним способом или комплексом методов (комбинированный способ). В процессе очистки предусматривают обработку осадка (или избыточной биомассы) и обеззараживание сточных вод перед сбросом их в водоем [24].

В последние годы активно разрабатываются новые эффективные методы, способствующие экологичности процессов очистки сточных вод:

– электрохимические методы, основанные на процессах анодного окисления и катодного восстановления, электрокоагуляции и электрофлотации;

– мембранные процессы очистки (ультрафильтры, электродиализ, и другие);

– магнитная обработка, позволяющая улучшить флотацию взвешенных частиц;

– радиационная очистка воды, позволяющая в кратчайшие сроки подвергать загрязняющие вещества окислению, коагуляции и разложению;

– озонирование, при котором в сточных водах не образуется веществ, отрицательно воздействующих на естественные биохимические процессы;

– внедрение новых селективных типов для избирательного выделения полезных компонентов из сточных вод с целью вторичного использования, и другие [24].

Известно, что роль в заражении водных объектов играют пестициды и удобрения, смываемые поверхностным стоком с сельскохозяйственных угодий. Для предотвращения попадания загрязняющих стоков в водоемы необходим комплекс мероприятий, включающих:

• соблюдение норм и сроков внесения удобрений и ядохимикатов;

• очаговую и ленточную обработку пестицидами вместо сплошной;

• внесение удобрений в виде гранул и по возможности вместе с поливной водой;

• замену ядохимикатов биологическими способами защиты растений.

Мероприятия по охране вод и морей и Мирового океана заключаются в устранении причин ухудшения качества и загрязнения вод [24]. Особые меры по предупреждению загрязнения морской воды следует предусматривать при разведке и освоении нефтяных и газовых месторождений на материковых шельфах. Необходимо ввести запрет на захоронение токсичных веществ в океане, сохранять мораторий на испытание ядерного оружия.

Атмосфера – воздушная среда вокруг Земли, ее масса около 5,15*10¹⁸ кг. Она имеет слоистое строение и состоит из нескольких сфер, между которыми располагаются переходные слои – паузы. В сферах изменяется количество воздуха и температура [23].

В зависимости от распределения температуры атмосферу подразделяют на:

– тропосферу (протяженность её по высоте в средних широтах составляет 10-12 км над уровнем моря, на полюсах – 7-10, над экватором – 16-18 км, здесь сосредоточено более 4/5 массы земной атмосферы; из-за неравномерности нагрева земной поверхности в тропосфере образуются мощные вертикальные токи воздуха, отмечаются неустойчивость температуры, относительной влажности, давления, температура воздуха в тропосфере по высоте уменьшается на 0,6^оС на каждые 100м и колеблется от +40 до –50^оС);

– стратосферу (имеет протяженность около 40 км, воздух в ней разрежен, влажность невысокая, температура воздуха от –50 до 0^оС на высотах около 50 км; в стратосфере под воздействием космического излучения и коротковолновой части ультрафиолетового излучения солнца молекулы воздуха ионизируются, в результате чего образуется озоновый слой, находящийся на высоте 25-40 км);

– мезосферу (от 0 до –90^оС на высотах 50-55 км);

– термосферу (для неё характерно непрерывное повышение температуры с увеличением высоты – на высоте 200км 500^оС, а на высоте 500-600 км превышает 1500^оС; в термосфере газы очень разрежены, их молекулы движутся с большой скоростью, но редко сталкиваются между собой и поэтому не могут вызвать даже небольшого нагревания находящегося здесь тела);

– экзосферу (от нескольких сотен км).

Неравномерность нагревания способствует общей циркуляции атмосферы, которая влияет на погоду и климат Земли.

Газовый состав атмосферы следующий: азот (79,09%), кислород (20,95%), аргон (0,93%), углекислый газ (0,03%) и незначительное количество инертных газов (гелий, неон, криптон, ксенон), аммиака, метана, водорода и др. [8]. В нижних слоях атмосферы (20 км) содержится водяной пар, количество которого с высотой быстро убывает. На высоте 110-120 км кислород почти весь становится атомарным. Предполагается, что выше 400-500 км и азот находится в атомарном состоянии. Кислородно-азотный состав сохраняется примерно до высоты 400-600 км [25]. Слой озона, предохраняющий живые организмы от вредного коротковолнового излучения, расположен на высоте 20-25 км. Выше 100 км растет доля легких газов, и на очень больших высотах преобладают гелий и водород; часть молекул газов распадаются на атомы и ионы, образуя ионосферу [8]. Давление и плотность воздуха с высотой убывают.

Загрязнение атмосферы. Атмосфера оказывает огромное влияние на биологические процессы на суше и в водоемах. Содержащийся в ней кислород используется в процессе дыхания организмов и при минерализации органического вещества, углекислый газ расходуется в ходе фотосинтеза автотрофными растениями, озон снижает вредное для организмов ультрафиолетовое излучение солнца. Кроме того, атмосфера способствует сохранению тепла Земли, регулирует климат, воспринимает газообразные продукты обмена веществ, переносит водяные пары по планете и т.д. Без атмосферы невозможно существование сколько-нибудь сложных организмов. Поэтому вопросы предотвращения загрязнения атмосферы всегда были и остаются актуальными.

Для оценки состава и загрязнения атмосферы используется понятие концентрации (С, мг/м³).

Чистый естественный воздух имеет следующий состав (в % об): азот 78,8 %; кислород 20,95 %; аргон 0,93 %; СО₂ 0,03 %; прочие газы 0,01 %. Считается, что такому составу должен соответствовать воздух на высоте 1м над поверхностью океана вдали от берегов [24].

Как и для всех других составляющих биосферы, для атмосферы существуют два главных источника загрязнения: естественный и антропогенный (искусственный). Вся классификация источников загрязнения может быть представлена по вышеприведенной структурной схеме: промышленность, транспорт, энергетика – основные источники загрязнения воздушного бассейна. По характеру воздействия на биосферу загрязнители атмосферы можно разделить на 3 группы:1) влияющие на глобальное потепление климата; 2) разрушающие биоту; 3) разрушающие озоновый слой.

Отметим краткие характеристики некоторых загрязнителей атмосферы.

К загрязнителям первой группы следует отнести СО₂, закись азота, метан, фреоны [2]. В создание «парникового эффекта» главный вклад вносит углекислый газ, концентрация которого ежегодно возрастает на 0,4% (более подробно о парниковом эффекте рассматривается в главе 3.3). По сравнению с серединой XIX века содержание СО₂ возросло на 25%, закиси азота на 19%.

Фреоны – химические соединения, несвойственные атмосфере, используемые в качестве хладагентов – повинны на 25% в создании парникового эффекта в 90-е годы. Расчеты показывают, что, несмотря на Монреальское соглашение 1987г. об ограничении использования фреонов, к 2040г. концентрация основных фреонов существенно возрастёт (хлорфторуглерода с 11 на 77%, хлорфторуглерода – с 12 на 66%), что приведет к усилению парникового эффекта на 20% [2]. Возрастание содержания метана в атмосфере произошло незначительно, однако удельный вклад этого газа примерно в 25 раз выше, чем углекислого газа. Если не прекратить поступление в атмосферу «парниковых» газов, среднегодовые температуры на Земле к концу XXI века поднимутся в среднем на 2,5-5°С. Необходимо: сократить сжигание углеводородного топлива и сведение лесов. Последнее опасно, кроме того, что приведет к увеличению углерода в атмосфере, также вызовет снижение ассимилирующей способности биосферы.

К загрязнителям второй группы следует отнести двуокись серы, взвешенные твердые частицы, озон, окись углерода, окись азота, углеводороды [2]. Из этих веществ в газообразном состоянии наибольший ущерб биосфере наносят двуокись серы и окислы азота, которые в процессе химических реакций преобразуются в мелкие кристаллы солей серной и азотной кислоты. Наиболее острой является проблема загрязнения атмосферы серосодержащими веществами. Диоксид серы оказывает вредное действие на растения. Поступая внутрь листа при дыхании, SO₂ угнетает жизнедеятельность клеток. При этом листья растений сначала покрываются бурыми пятнами, а потом засыхают.

Диоксид серы и другие ее соединения раздражают слизистую оболочку глаз и дыхательные пути. Продолжительное действие малых концентраций SO₂ ведет к возникновению хронического гастрита, гепатопатии, бронхита, ларингита и других болезней. Есть сведения о связи между содержанием SO₂ в воздухе и уровнем смертности от рака легких [2].

В атмосфере SO₂ окисляется до SO₃. Окисление происходит каталитически под воздействием следов металлов, главным образом марганца. Кроме того, газообразный и растворенный в воде SO₂ может окисляться озоном или пероксидом водорода. Соединяясь с водой, SO₃ образует серную кислоту, которая с металлами, имеющимися в атмосфере, образует сульфаты. Биологическое действие кислых сульфатов при равенстве концентраций более выражено по сравнению с SO₂. Диоксид серы существует в атмосфере от нескольких часов до нескольких дней в зависимости от влажности и других условий.

Вообще аэрозоли солей и кислот проникают в чувствительные ткани легких, опустошают леса и озера, снижают урожай, разрушают постройки, архитектурные и археологические памятники. Взвешенные твердые частицы представляют опасность для здоровья населения, превосходящую опасность кислотных аэрозолей. В основном это опасность больших городов. Особенно вредные твердые вещества содержатся в выхлопных газах дизелей и двухтактных бензиновых двигателей. Большинство твердых частиц в воздухе промышленного происхождения в развитых странах успешно улавливаются всевозможными техническими средствами.

Озон в приземном слое появляется в результате взаимодействия углеводородов, образующихся при неполном сгорании топлива в автомобильных двигателях и выделяющихся при многих производственных процессах, с окислами азота. Это один из наиболее опасных загрязнителей, поражающих органы дыхания. Он наиболее интенсивен в жаркую погоду.

Окись углерода, окислы азота и углеводороды в основном поступают в атмосферу с выхлопными газами автомобилей. Все перечисленные химические соединения оказывают разрушительное действие на экосистемы при концентрациях даже более низких, чем допустимые для человека, а именно: закисляют водные бассейны, убивая в них живые организмы, губят леса, снижают урожаи сельскохозяйственных культур (особенно опасен озон). Исследования в США показали, что современные концентрации озона снижают урожай сорго и кукурузы на 1%, хлопка и соевых бобов – на 7%, люцерны – более чем на 30% [16].

Из загрязнителей разрушающих стратосферный озоновый слой следует отметить фреоны, азотные соединения, выхлопы сверхзвуковых самолетов и ракет.

Основным источником хлора в атмосфере считаются фторхлороуглеводороды, широко используемые в качестве холодильных агентов. Они используются не только в холодильных установках, но и в многочисленных бытовых аэрозольных баллонах с красками, лаками, инсектицидами. Молекулы фреонов отличаются стойкостью и способны практически без изменений переноситься с атмосферными массами на огромные расстояния. На высотах 15–25км (зона максимального содержания озона) они подвергаются воздействию ультрафиолетовых лучей и распадаются с образованием атомарного хлора.

Установлено, что за последнее десятилетие потери озонового слоя составили 12–15% в полярных и 4–8% в средних широтах [25]. В 1992 году были установлены ошеломляющие результаты: на широте Москвы обнаружены участки с потерей озонового слоя до 45%. Уже сейчас по причине усиления ультрафиолетовой инсоляции наблюдается снижение урожаев в Австралии и Новой Зеландии, увеличение заболеваний раком кожи [25].

Техногенные вещества биосферы, оказывающие вредное воздействие на биоту, классифицируются следующим образом (приводится общая классификация, справедливая не только для газообразных веществ) [2]. По степени опасности все вредные вещества разделены на четыре класса (табл.2):

I – чрезвычайно опасные вещества;

II – высоко опасные вещества;

III – умеренно опасные вещества;

IV – малоопасные вещества.

Отнесение вредного вещества к классу опасности производят по показателю, значение которого соответствует наиболее высокому классу опасности.

Здесь: А) – концентрация, которая при ежедневной (кроме выходных дней) работе в течение 8ч, или другой продолжительности, но не более 41ч в неделю, в течение всего рабочего стажа не может вызвать заболеваний или отклонений в состоянии здоровья, обнаруживаемых современными методами исследований в процессе работы или в отдаленные сроки жизни настоящего и последующего поколений;

Б) – доза вещества, вызывающая гибель 50% животных при однократном введении в желудок;

В) – доза вещества, вызывающая гибель 50% животных при однократном нанесении на кожу;

Г) – концентрация вещества в воздухе, вызывающая гибель 50% животных при 2-4 часовом ингаляционном воздействии;

Д) – отношение максимально допустимой концентрации вредного вещества в воздухе при 20^оС к средней смертельной концентрации для мышей;

Е) – отношение средней смертельной концентрации вредного вещества к минимальной (пороговой) концентрации, вызывающей изменение биологических показателей на уровне целостного организма, выходящих за пределы приспособительных физиологических реакций;

Ж) – Отношение минимальной (пороговой) концентрации, вызывающей изменение биологических показателей на уровне целостного организма, выходящих за пределы приспособительных физиологических реакций, к минимальной (пороговой) концентрации, вызывающей вредное действие в хроническом эксперименте по 4ч, 5раз в неделю на протяжении не менее 4-х месяцев.

Таблица 2 Классификация вредных веществ

Показатель	Норма для класса опасности
	I	II	III	IV
(А) Предельно допустимая концентрация (ПДК) вредных веществ в воздухе рабочей зоны, мг/м3	менее 0,1	0,1¸1,0	1,1¸10	более 10
(Б) Средняя смертельная доза при введении в желудок (ССДЖ), мг/кг	менее 15	15¸150	151¸5000	более 5000
(В) Средняя смертельная доза при нанесении на кожу (ССДК), мг/кг	менее 100	100¸500	501¸2500	более 2500
(Г) Средняя смертельная концентрация в воздухе (ССКВ), мг/м3	менее 500	500¸5000	5001¸50000	более 50000
(Д) Коэффициент возможности ингаляционного отравления (КВИО)	более 300	300¸30	29¸3	менее 3
(Е) Зона острого действия (ЗОД)	менее 6	6¸18	18¸54	более 54
(Ж) Зона хронического действия (ЗХД)	более 10,0	10,0¸5,0	4,9¸2,5	менее 2,5

Опасность загрязняющих атмосферу веществ для здоровья человека, зависит не только от их содержания в воздухе, но и от класса опасности. Для сравнительной оценки атмосферы городов, районов с учетом класса опасности загрязняющих веществ используется индекс загрязнения атмосферы.

Единичный и комплексный индексы загрязнения атмосферы могут рассчитываться для разных временных интервалов – за месяц, год. При этом в расчетах используются среднемесячная и среднегодовая концентрация загрязняющих веществ.

Для тех загрязняющих веществ, для которых не установлены ПДК (предельно допустимая концентрация), устанавливается ориентировочно безопасные уровни воздействия (ОБУВ) [3]. Как правило, это объясняется тем, что не накоплен опыт их применения, достаточный для суждения об отдаленных последствиях воздействия их на население. Если в технологических процессах выделяется и поступает в воздушную среду вещества, на которые нет утвержденных ПДК или ОБУВ, предприятия обязаны обращаться в территориальные органы Минприроды для установления временных нормативов. Кроме того, для некоторых веществ, загрязняющих воздух от случая к случаю, установлены только разовые ПДК (например, для формалина).

Для некоторых тяжелых металлов нормируются не только среднесуточное содержание в атмосферном воздухе (ПДК_сс), но и предельно допустимая концентрация при разовых замерах (ПДК_рз) в воздухе рабочей зоны (например, для свинца – ПДК_сс=0,0003мг/м³, а ПДК_рз=0,01мг/м³) [1].

Нормируются также допустимые концентрации пылей и пестицидов в атмосферном воздухе. Так, для пылей, содержащих диоксид кремния, ПДК зависит от содержания в ней свободной SiO₂ при изменении содержания SiO₂ от 70% до 10% ПДК меняется от 1мг/м³ до 4,0 мг/м³ [1].

Некоторые вещества обладают однонаправленным вредным воздействием, которое называется эффектом суммации (например, ацетон, акролеин, фталевый ангидрид – 1 группа).

Антропогенные загрязнения атмосферы можно характеризовать по длительности присутствия в атмосфере, по скорости возрастания их содержания, по масштабу влияния, по характеру влияния.

Длительность присутствия одних и тех же веществ различна в тропосфере и стратосфере. Так, CO₂ присутствует в тропосфере 4 года, а в стратосфере – 2 года, озон – 30-40 суток в тропосфере, и 2 года в стратосфере, а окись азота – 150 лет (и там, и там) [2].

Различна скорость накопления загрязнений в атмосфере (вероятно, связанная с утилизационной способностью биосферы). Так содержание CO₂ возрастает по 0,4% в год, а окислов азота – по 0,2% в год [3].

Основные принципы гигиенического нормирования атмосферных загрязнителей.

В основе гигиенического нормирования атмосферных загрязнений лежат следующие критерии вредности атмосферных загрязнений:

1. Допустимой может быть признана только такая концентрация того или иного вещества в атмосферном воздухе, которая не оказывает на человека прямого или косвенного вредного и неприятного действия, не снижает его работоспособности, не влияет на самочувствие и настроение.

2. Привыкание к вредным веществам должно рассматриваться как неблагоприятный момент и доказательство недопустимости изучаемой концентрации.

3. Недопустимы такие концентрации вредных веществ, которые неблагоприятно влияют на растительность, климат местности, прозрачность атмосферы и бытовые условия жизни населения [4].

Решение вопроса о допустимом содержании атмосферных загрязнений основывается на представлении о наличие порогов в действии загрязнений.

При научном обосновании ПДК вредных веществ в атмосферном воздухе используют принцип лимитирующего показателя (нормирование по наиболее чувствительному показателю). Так, если запах, ощущается при концентрациях, не оказывающих вредного влияния на организм человека и внешнюю среду, нормирование осуществляют с учетом порога обоняния. Если вещество оказывает на окружающую среду вредное действие в меньших концентрациях, то при гигиеническом нормировании учитывают порог действия этого вещества на внешнюю среду [2].

Для веществ, загрязняющих атмосферный воздух, в России установлены два норматива: разовая и среднесуточная ПДК [6].

Максимальная разовая ПДК устанавливается для предупреждения рефлекторных реакций у человека (ощущения запаха, изменение биоэлектрической активности мозга, световой чувствительности глаз и др.) при кратковременном (до 20 минут) воздействии атмосферных загрязнений, а среднесуточная – с целью предупреждения их резорбтивного (общетоксичного, мутагенного, канцерогенного и др.) влияний.

Таким образом, все составляющие биосферы испытывают на себе колоссальное техногенное влияние человека. В настоящее время есть все основания говорить о техносфере как о «сфере неразумности».

►Вопросы для самоконтроля

1. Групповая классификация элементов биосферы В.И. Вернадского.

2. Какими факторами определяется плодородие почвы?

3. Что такое «гидросфера»? Распределение и роль воды в природе.

4. В каких формах присутствуют вредные примеси в сточных водах, и как это отражается на выборе способов очистки сточных вод?

5. Отличительные особенности разных слоёв атмосферы.

6. Понятие вредного вещества. Классы опасности вредных веществ.

7. Что такое ПДК? Единицы измерения ПДК в воздухе и в воде. Где кон­тролируются ПДК вредных веществ?

8. Каким образом подразделяются источники выделения и выбросов вредных веществ в атмосферу?

3.3 Кругооборот веществ в биосфере. Биосферный цикл углерода. Парниковый эффект: механизм возникновения и возможные последствия.

Процессы фотосинтеза органических веществ продолжаются сотни миллионов лет. Но поскольку Земля конечное физическое тело, то любые химические элементы также физически конечны. За миллионы лет они должны, казалось бы, оказаться исчерпанными. Однако этого не происходит. Более того, человек постоянно интенсифицирует этот процесс, повышая продуктивность созданных им экосистем.

Все вещества на нашей планете находятся в процессе биохимического кругооборота веществ. Выделяют 2 основных кругооборота большой или геологический и малый или химический [5].

Большой кругооборот длится миллионы лет. Он заключается в том, что горные породы подвергаются разрушению, продукты разрушения сносятся потоками воды в Мировой океан или частично возвращаются на сушу вместе с осадками. Процессы опускания материков и поднятия морского дна в течение длительного времени приводят к возвращению на сушу этих веществ. И процессы начинаются вновь.

Малый кругооборот, являясь частью большого, происходит на уровне экосистемы и заключается в том, что питательные вещества почвы, вода, углерод аккумулируются в веществе растений, расходуются на построение тела и жизненные процессы. Продукты распада почвенной микрофлоры вновь разлагаются до минеральных компонентов, доступных растениям и вновь вовлекаются в поток вещества.

Кругооборот химических веществ из неорганической среды через растения и животные обратно в неорганическую среду с использованием солнечной энергии химической реакций называется биохимическим циклом [17].

Сложный механизм эволюции на Земле определяется химическим элементом «углерод». Углерод – составная часть скальных пород и в виде диоксида углерода содержится в части атмосферного воздуха. Источниками СО₂являются вулканы, дыхание, лесные пожары, сжигание топлива, промышленность и др.

Атмосфера интенсивно обменивается углекислым газом с мировым океаном, где его в 60 раз больше, чем в атмосфере, т.к. СО₂ хорошо растворяется в воде (чем ниже температура – тем выше растворимость, т.е. его больше в низких широтах) [17]. Океан действует как гигантский насос: поглощает СО₂ в холодных областях и частично «выдувает» в тропиках.

Избыточное количество оксида углерода в океане соединяется с водой, образуя угольную кислоту. Соединяясь с кальцием, калием, натрием, образует стабильные соединения в виде карбонатов, которые оседают на дно.

Фитопланктон в океане в процессе фотосинтеза поглощает углекислый газ. Умершие организмы попадают на дно и становятся частью осадочных пород. Это показывает взаимодействие большого и малого кругооборота веществ.

Углерод из молекулы СО₂ в ходе фотосинтеза включается в состав глюкозы, а затем в состав более сложных соединений, из которых построены растения. В дальнейшем они переносятся по пищевым цепям и образуют ткани всех остальных живых организмов в экосистеме и возвращаются в окружающую среду в составе СО₂.

Также углерод присутствует в нефти и угле. Сжигая топливо, человек также завершает цикл углерода, содержащегося в топливе – так возникает биотехнический кругооборот углерода [20].

Оставшаяся масса углерода находится в карбонатных отложениях дна океана (1,3-10т), в кристаллических породах (1-10т), в угле и нефти (3,4-10т) [20]. Этот углерод принимает участие в экологическом кругообороте. Жизнь на Земле и газовый баланс атмосферы поддерживается относительно небольшим количеством углерода (5-10т) [17].

Есть распространённое мнение, что глобальное потепление климата и его последствия угрожает нам из-за промышленного выделения тепла. То есть вся энергия, расходуемая в быту, промышленности и на транспорте, нагревает Землю и атмосферу. Однако, простейшие расчеты показывают, что обогрев Земли Солнцем на много порядков выше результатов человеческой деятельности.

Ученые же вероятной причиной глобального потепления считают рост концентрации углекислого газа в атмосфере Земли. Именно он служит причиной так называемого «парникового эффекта».

Что же такое парниковый эффект? С подобным явлением мы очень часто сталкиваемся. Общеизвестно, что при одинаковой дневной температуре ночная бывает различной, в зависимости от облачности. Облачность укрывает землю, словно одеялом, и пасмурная ночь бывает градусов на 5-10 теплее безоблачной при той же дневной температуре. Однако, если облака, представляющие собой мельчайшие капельки воды, не пропускают тепло как наружу, так и от Солнца к Земле, то углекислый газ работает как диод – к Земле тепло от Солнца поступает, обратно – нет.

Человечество тратит огромное количество природных ресурсов, сжигает все больше и больше ископаемого топлива, в результате чего в атмосфере растет процентное содержание углекислого газа, и он не выпускает в космос инфракрасное излучение от нагретой поверхности Земли, создавая «парниковый эффект». Последствием дальнейшего увеличение концентрации углекислоты в атмосфере может стать глобальное потепление климата и увеличению температуры Земли, что, в свою очередь, приведёт к таким последствиям, как таянию ледников и подъём уровня мирового океана на десятки, а то и сотни метров, уйдут под воду многие прибрежные города мира.

Таков возможный сценарий развития событий и последствия глобального потепления климата, причиной которого является парниковым эффектом. Однако, даже если растают все ледники Антарктиды и Гренландии, уровень мирового океана поднимется максимум на 60 метров. Но это крайний, гипотетический случай, который может произойти только при внезапном таянии ледников Антарктиды. А для этого в Антарктиде должна установиться положительная температура, что может явиться только последствием катастрофы планетарного масштаба (например, изменением наклона земной оси).

Среди сторонников «парниковой катастрофы» нет единодушия о ее вероятных масштабах, и наиболее авторитетные из них не обещают ничего страшного [7, 13, 24]. Предельное потепление, в случае удвоения концентрации углекислого газа, может составить максимум 4°С [7]. Кроме того, вполне вероятно, что при глобальном потеплении и повышении температуры уровень океана не изменится, а то и, напротив, понизится. Ведь с повышением температуры усилятся и осадки, а таяние окраин ледников может компенсироваться повышенным выпадением снега в центральных их частях.

Таким образом, проблема парникового эффекта и вызываемого им глобального потепления климата, а также их возможные последствия, хотя и существует объективно, но масштабы этих явлений на сегодняшний день явно преувеличены. В любом случае, они требует очень тщательного исследования и длительного наблюдения.

Анализу возможных климатических последствий парникового эффекта был посвящен международный конгресс климатологов, проходивший в октябре 1985г. в Филлахе (Австрия) [7]. Участники конгресса пришли к выводу, что даже незначительное потепление климата приведет к заметному увеличению испарения с поверхности Мирового океана, в результате чего возрастет количество летних и зимних осадков над континентами. Это увеличение не будет равномерным. Рассчитано, что через юг Европы от Испании до Украины протянется полоса, в пределах которой количество осадков останется таким же, как сейчас, или даже несколько уменьшится. Севернее 50° (это широта Харькова) и в Европе, и в Америке оно будет с колебаниями постепенно увеличиваться, что мы и наблюдаем за последнее десятилетие [7]. Следовательно, сток Волги будет возрастать, и Каспийскому морю не грозит снижение уровня. Это был главный научный аргумент, который позволил, наконец, отказаться от проекта переброски в Волгу части стока северных рек [24].

Наиболее точные, убедительные данные о возможных последствиях парникового эффекта дают палеогеографические реконструкции, составляемые специалистами, изучающими геологическую историю Земли за последний миллион лет [7]. Ведь в течение этого «новейшего» времени геологической истории климат Земли подвергался очень резким глобальным изменениям. В эпохи, более холодные, чем теперешняя, материковые льды, подобные тем, что сковывают сейчас Антарктиду и Гренландию, покрывали всю Канаду и весь север Европы, включая места, на которых стоят сейчас Москва и Киев [24]. Стада северных оленей и лохматых мамонтов бродили по тундрам Крыма и Северного Кавказа, там сейчас находят останки их скелетов. А в промежуточные межледниковые эпохи климат Земли был значительно теплее, чем нынешний: материковые льды в Северной Америке и Европе таяли, в Сибири вечная мерзлота оттаивала на много метров, морские льды у наших северных берегов исчезали, лесная растительность, судя по ископаемым спорово-пыльцевым спектрам, распространялась на территорию современных тундр [24]. По равнинам Средней Азии текли мощные речные потоки, заполнявшие водою котловину Аральского моря до отметки плюс 72 метра, многие из них несли воду и в Каспийское море. Пустыня Каракумы в Туркмении представляет собою развеянные песчаные наносы этих древних русел.

В целом физико-географическая обстановка в теплые межледниковые эпохи на всей территории бывшего СССР была более благоприятной, чем сейчас. Такой же она была в скандинавских странах и странах Центральной Европы [7].

К сожалению, до сих пор к обсуждению проблемы парникового эффекта не привлекались геологи, изучающие геологическую историю последнего миллиона лет эволюции нашей планеты. А геологи могли бы внести ценные дополнения в существующие представления. В частности, очевидно, что для правильной оценки возможных последствий парникового эффекта должны шире привлекаться палеографические данные по прошлым эпохам значительного глобального потепления климата. Анализ таких данных, известных сегодня, позволяет думать, что парниковый эффект в противоположность распространенному мнению не несёт никаких бедствий для народов нашей планеты. Наоборот, во многих странах, в том числе на территории России, он создаст более благоприятные, чем сейчас, климатические условия.

►Вопросы для самоконтроля

1. Суть основных биохимических кругооборотов веществ.

2. Каков биохимический цикл углерода?

3. Что понимают под выражением «парниковый эффект» и с чем его связывают? Ваша краткая оценка проблемы.

4. Как Вы думаете, существует ли угроза глобального потепления климата? Свой ответ обоснуйте