Екологія

об’єднує усі геосфери, утворюючи в цілому замкнену систему: океан – атмосфера – суходіл.

Загальний об’єм води на планеті оцінюють 1 386 млн. км3, з них 97,5 % зосереджено в океанах. Решту 2,5 % становлять крижані шапки полюсів, ґрунтові та підземні води, прісноводні водойми й річки, а ще вода, яка міститься у атмосфері (0,001 % від загального об’єму). Найбільший об’єм неокеанічної води зосереджено у крижаних шапках полюсів та льодовиках (86 %), а 14 % зосереджено в поверхневих та підземних водах. Лише 1 % прісної води – це озера, річки, ґрунтові води.

Вода є найпоширенішою неорганічною сполукою на планеті, основою усіх процесів. Живі організми містять до 80–90 % води; втрата ними 10–20 % води призводить до їхньої загибелі. Для нормального здійснення функцій організму необхідно близько 2 л води на добу.

Вода гідросфери містить майже всі хімічні елементи. Середній хімічний склад її близький до складу океанічної води, у якій переважають хлориди. У водах суходолу переважають карбонати. Вміст мінеральних речовин (солей) у воді – солоність – коливається залежно від клімату і місцевих умов та вимірюється у тисячних частинах грама–проміле (°/оо).

Природні ресурси

Рис. 2.2. Класифікація природних ресурсів

21

Середня солоність Світового океану близько 35°/оо, тобто в кожному кілограмі води міститься в середньому 35 г солей. Звичайно води суходолу слабко мінералізовані – прісні (солоність рік і прісних озер від 0,5 до 1°/оо. Відомі водойми, вміст солей у яких є майже таким, як у дистильованій воді (це, зокрема, сфагнові болота; солоність становить не більше 0,01°/оо). Середня солоність океанічної води близько 35°/оо, солоність морської води коливається від 1–2°/оо (Фінська затока Балтійського моря) до 41,5°/оо (Червоне море). Найбільша концентрація солей природних водойм – у солоних озерах (Мертве море до 260°/оо) і Тамбуканському озері на Кавказі (347°/оо). Дві крайні величини солоності – 0,010°/оо та 347°/оо визначають діапазон солоності природних водойм, у межах якого можливе життя.

Природні ресурси – це найважливіші компоненти навколишнього природного середовища, які використовують для задоволення матеріальних і культурних потреб людини. Вони поділяються на невичерпні і вичерпні (рис. 2.2). Біосфера землі є замкненою системою з порівняно сталою масою і обмінюється з космічним простором лише енергією. Тому людству необхідно враховувати її здатність до самовідтворення своєї біопродуктивності та вичерпність запасів невідновних ресурсів. Належить економно і раціонально використовувати природні ресурси, свідомо відмовляючись від надлишків. Подальший розвиток життя на Землі залежить від наявності природних ресурсів, простору для життя і об’єктів для задоволення культурних та інших потреб.

Форми та механізми деградації біосфери. Антропогенне забруднення атмосфери. Існують два головні джерела забруднення атмосфери: природне і антропогенне. Природне джерело – це вулкани, пилові бурі, лісові пожежі, процеси розкладання рослин і тварин.

До основних антропогенних джерел забруднення атмосфери належать підприємства паливно-енергетичного комплексу, промислові підприємства і транспорт.

Сучасний розвиток людського суспільства характеризується надзвичайно інтенсивним зростанням чисельності населення, а, отже, й зростанням енергетичних потреб. Упродовж XX ст. з надр Землі видобуто корисних копалин більше, ніж за всю попередню історію людства. Внаслідок їхнього використання відбувається викидання в атмосферу великої кількості шкідливих газів (сірчаний ангідрид, оксид сірки, оксиди азоту, вуглеводні, сажа, яка є носієм смолистих речовин, пил і зола, які містять солі важких металів) в атмосферу. Результатом цього є парниковий ефект та глобальне потепління, випадання кислотних опадів, утворення озонових дір, виникнення смогів.

Парниковий ефект. Температура на Землі підтримується завдяки балансу між нагріванням Землі сонячним промінням та охолодженням після повер-

22

нення енергії в космос. Енергетичний баланс підтримується завдяки так званим парниковим газам. Ці гази функціонують так, як скло в теплицях: дають можливість інфрачервоним променям потрапляти всередину і затримують їх, забезпечуючи стабільну температуру (рис. 2.3).

Існують 6 основних парникових газів:

•вуглекислий газ CO2. Його внесок у парниковий ефект становить понад 50 %. Концентрація CO2 збільшується внаслідок знищення лісів (щороку в світі знищується від 16 до 20 млн. га лісів, натомість фітомаса планети здатна поглинути лише 60 % від загальної кількості парникових газів)

іспалювання нафти, газу, вугілля (щороку в світі спалюється 3,2 млрд. т нафти і нафтопродуктів);

•водяна пара Н2О. Потепління, що відбувається через дію інших парникових газів, збільшує випаровування та зумовлює підвищення кількості водяної пари в атмосфері;

•метан СН4. Найбільшими джерелами викидів метану є рисові поля, домашня худоба, анаеробна ферментація сміття, добування вугiлля та транспортування природного газу. Метан є також супутнiм продуктом розкладання бiомаси та неповного згорання палива;

•закис азоту N2O. Антропогенними джерелами емiсiї N2O є сiльськогосподарський обробіток ґрунтів, особливо використання азотовмiсних добрив; спалювання викопного природного палива; виробництво адiпiнової (нейлонової) та азотної кислот; спалювання бiомаси.

•озон;

•хлорфторвуглеці. На відміну від решти парникових газів вони синтезовані людиною.

Парниковий ефект взагалі є природним явищем. Він позитивно впливає на всі екосистеми та стабілізує температуру атмосферного повітря. Однак, збільшуючи викиди парникових газів в атмосферу, людина порушує баланс, що склався впродовж тривалого часу. Наслідком парникового ефекту є

глобальне потепління клімату.

Підвищення середньої температури Землі на 1,5°С (а це можливо, за науковими прогнозами, у 2025 році), викличе підняття рівня Світового океану на 25 см. Підвищення на 0,7–0,8°С у природі раніше відбувалося упродовж тисячі років, а останнім часом – упродовж 100 років!

Загроза глобального потепління спонукала політиків прийняти міжнародні угоди (Рамкова конвенція ООН про зміну клімату 1992 р. і Кіотський протокол 1999 р.) про зниження темпів приросту викидів цього газу в атмосферу. Саме – темпів приросту! Ніхто не сподівається, що вдасться зменшити самі викиди. Якщо розвинені країни останніми роками почали

23

зменшувати викиди парникових газів, то в країнах, що розвиваються (насамперед – Китаї та Індії), відзначається протилежна тенденція. Викиди вуглецю в цих країнах наприкінці XX століття на 70 % перевищили рівень 1986 р. Ймовірно, що це призведе до зростання викидів в атмосферу вуглецю до 2010 р. на 40 % порівняно з рівнем 1990 р. А це означає, що середня температура повітря на Землі до кінця XXI століття може зрости на 2–4,5°С.

А Т М О С Ф Е Р А

ПАРНИКОВІ ГАЗИ

Чому після цього вже немає шляху назад, чому клімат не зможе повернутися у звичний для нас стан? Річ у тому, що після перетинання температурою критичної межі 2°С спрацюють фізичні механізми, дія яких (уже без втручання людини) призведе до різкого посилення парникового ефекту, тобто розпочнуться необоротні зміни стану атмосфери Землі та пов’язані з цим кліматичні катаклізми.

Із фізики відомо, що розчинність газів у воді зменшується з підвищенням її температури – у діапазоні 10–20°С розчинність СО2 зменшується на 3 % на кожен градус підвищення температури води. У Світовому океані міститься величезна маса вуглекислого газу – близько 140 трлн. тонн (в 60 разів більше, ніж в атмосфері). Отже, у разі підвищення температури води океану в атмосферу може виділитися величезна додаткова кількість СО2, що в багато разів перевищуватиме ту, яка викидається за рахунок діяльності людини. Це

24

різко посилить парниковий ефект, отож температура атмосфери підвищиться ще більше. І далі цього процесу вже не зупинити – за підвищенням температури повітря знову йтиме підвищення температури Світового океану, і знову в атмосферу буде викинуто величезну кількість вуглекислого газу – «маховик» процесу не зупинити!

Під час глобального потепління в атмосфері збільшуватиметься і вміст водяної пари, що також посилить парниковий ефект.

За рахунок цього процесу відбуватиметься танення льодовиків, і на величезних територіях утворяться болота, одним із продуктів життєдіяльності яких є метан. Тобто з’являється ще один механізм розігрівання атмосфери.

Отже, варто людині перетнути межу, як далі розпочинається ланцюгова реакція і кліматичну систему вже не вдасться повернути в попередній стан. Підраховано: з середини XVIII століття середня температура повітря при поверхні землі вже підвищилася більш ніж на 1,2 градуса за Цельсієм , отже, до фатальної межі нам залишилося зовсім мало!

Руйнування озонового шару. Життя на Землі залежить від енергії Сонця. Надходить ця енергія на Землю у вигляді світла видимого частини спектра випромінювання, а також інфрачервоного (або теплового) та ультрафіолетового (УФ) випромінювань.

УФ-випромінювання є найбільш фізіологічно активним, тобто інтенсивно діє на живу речовину. Весь потік УФ-випромінювання Сонця, що надходить до земної атмосфери, умовно поділяють на три діапазони: УФ(А) (довжина хвилі 400–315 нм), УФ(В) (315–280 нм) і УФ(С) (280–100 нм). УФ(В)- і

УФ(С)-випромінювання, так званий «жорсткий ультрафіолет», є надзвичайно шкідливими для всього живого: вони призводять до порушення структури білків та нуклеїнових кислот і врешті-решт до загибелі клітин. Що ж захищає біосферу від згубної дії «жорсткого ультрафіолету»?

На висотах 10–50 км над земною поверхнею міститься озон. Він утворюється у стратосфері за рахунок двохатомного кисню (О2), що поглинає «жорстке» УФ-випромінювання: енергія УФ(В)- та УФ(С)-випромінювань затрачається на фотохімічну реакцію утворення озону з кисню (3О2 →hν 2О3),

і тому до поверхні Землі вони не доходять; туди проникає лише суттєво послаблений потік «м'якого» УФ(А)-випромінювання. Від його негативної дії наш організм захищається, синтезуючи в шкірі шар темного пігменту меланіну (загар). Однак ця речовина утворюється досить повільно. Тому тривале перебування на сонці, коли шкіра ще не насичена меланіном, викликає її почервоніння, головний біль, підвищення температури тіла тощо.

Озоновий шар в атмосфері Землі з'явився на початку її геологічної історії, коли в повітря став надходити кисень, що вироблявся в процесі фотосинтезу

25

мікроскопічними морськими водоростями. За розрахунками вчених, коли вміст кисню в атмосфері досяг приблизно 10 % від сучасного, сформувався озоновий шар, і життя змогло вийти з моря на суходіл (до цього поверхня суходолу була випалена, стерилізована ультрафіолетом).

Серед основних причин послаблення озонового щита, викликаного антропогенною діяльністю, – запуск космічних ракет (під час запуску системи «Спейс-Шатл» викидається 346 т водяної пари, 187 т хлору і його сполук, 7 т азотних оксидів) та рух літаків, які викидають численні оксиди азоту; надмірне і неконтрольоване внесення мінеральних (азотних) добрив, які є джерелом утворення оксидів азоту. Потужним джерелом руйнування озонового шару є хлорфторвуглеці (ХФВ), або фреони.

Фреони вже понад 60 років використовуються як холодоагенти в холодильних установках і кондиціонерах, як пропеленти (гази, що виштовхують продукти харчування або косметичні засоби з упаковки) в аерозольних сумішах, піноутворювальні речовини у вогнегасниках, при виготовленні полістиролового одноразового посуду, а також як розчинники. Раніше фреони вважались ідеальними для практичного застосування, оскільки є стабільними і неактивними, а отже, нетоксичними. Але саме інертність цих сполук робить їх небезпечними для атмосферного озону. ХФВ не розпадаються у тропосфері, а проникають (разом з потоками повітря) у стратосферу.

атома Сl

наступні

Рис..22..44..РуйнуванняозонзоновогошарушаруЗемліЗемліфреонамифреонами

Потрапивши на висоту 25 км, де концентрація озону максимальна, ХФВ піддаються інтенсивному впливу ультрафіолетового випромінювання (рис. 2.4), що не проникає на менші висоти через екрануючу дію озону. Ультрафіолет руйнує стійкі у звичайних умовах молекули фреонів, які розпадаються на компоненти з високою реакційною здатністю, зокрема, атомарний хлор. При руйнуванні озону хлор діє як каталізатор: під час

26

хімічної реакції його кількість не зменшується. Внаслідок цього один атом хлору може зруйнувати до 100 000 молекул озону перш ніж буде дезактивований або повернеться в тропосферу. Сьогодні викид фреонів в атмосферу обчислюється кількома мільйонами тонн, але навіть у гіпотетичному випадку повного припинення виробництва й використання ХФВ негайного результату досягти не вдасться: дія фреонів, які вже потрапили в атмосферу, триватиме кілька десятиліть. Вважається, що час життя в атмосфері для двох найбільш широко використовуваних ХФВ: фреону-11 (CFCl3) і фреону-12 (CF2Cl2) становить 75 і 100 років відповідно.

Природним джерелом надходження хлору в атмосферу є вулканічні викиди. Проблема охорони озонового шару регулює Віденська конвенція про охорону озонового шару (1985 р.) та Монреальський протокол про охорону атмосферного озону (1987 р.), підписані 56 країнами. Вони передбачають гнучкі заходи зі скорочення викидів озоноруйнувальних речовин: скорочення та припинення виробництва ХФВ, економічні заходи, обмін технологіями та

фінансову допомогу.

Кислотні дощі. Оксиди сірки і азоту, що викидаються в атмосферу внаслідок роботи теплових електростанцій (ТЕС) та автомобільних двигунів, сполучаються з атмосферною вологою й утворюють дрібні крапельки сірчаної та азотної кислот, які переносяться вітрами у вигляді кислотного туману й випадають на землю кислотними дощами. Кислотними називають взагалі будь-які опади — дощ, сніг, туман, якщо значення їх рН становить менш ніж 7,0. Кислотні дощі мають значення рН частіше в межах 4,1–2,1, а в деяких випадках навіть менше ніж 2,1. Ще 100 років тому значення рН дощової води дорівнювало 7, тобто опади були нейтральними.

Кислотні опади вкрай шкідливо впливають на довкілля:

−знижується врожайність сільськогосподарських культур через ушкодження листя кислотами;

−з ґрунту вимиваються кальцій, калій і магній, що призводить до його деградації;

−гинуть ліси (найчутливішими до кислотних дощів є кедр, бук і тис);

−отруюється вода озер і ставків, гине риба, зникають комахи; щезають водоплавні птахи і тварини, що живляться комахами;

−загибель лісів спричинює зсуви ґрунту в гірських районах;

−прискорюється руйнування пам'яток архітектури, споруд, особливо тих, що побудовані з вапняку, та оздоблених мармуром;

−збільшується захворюваність людей (хвороби очей та органів дихання). Кислотний сніг завдає ще більшої шкоди, ніж дощ, оскільки він може

накопичуватись упродовж тривалого часу, що призводить до значного закиснення ґрунту під час танення снігу навесні. Кислотність талої води в може буди десятки разів вища від кислотності води дощової.

27

Смоги. Окремо взяті речовини, що забруднюють повітря, є менш небезпечними, ніж їхні суміші. Хімічні реакції, що відбуваються безпосередньо в повітрі, спричиняють виникнення димних туманів – смогів (від англ. smoke – дим і fog – туман). Смоги виникають за певних умов: по-перше, у разі великої кількості пилу і газів у повітрі; по-друге, під час тривалого існування антициклональних умов погоди, за яких забруднювачі накопичуються в приземному шарі атмосфери. Назва «смог» стала відомою після грудня 1952 року, коли в Лондоні утворився туман, який зумовив численні смертельні випадки. У холодній повітряній масі міста сформувалася інверсія; промислові дими, що продовжували надходити в атмосферу, змішалися з насиченим вологою повітрям і утворили над містом густу хмару з високим вмістом оксидів сірки. Такий стан в атмосфері спостерігався більше двох тижнів, протягом яких зафіксовано майже 4000 смертельних випадків. Наприкінці 1962 року в Рурі (ФРН) смог убив за три дні 156 осіб. Смоги, що виникають у зимову пору року, одержали назву лондонських.

Відомі ще так звані лос-анджелеські, або фотохімічні смоги, які виникають у літній період. За умови інтенсивного впливу сонячної радіації у насиченому вихлопними газами автомобілів повітрі проходять складні реакції з утворенням нових високотоксичних забруднювачів – фотооксидантів (озон, органічні перекиси, нітрити та ін.), що подразнюють слизові оболонки шлунково-кишкового тракту, легенів та органів зору. Лише в Токіо смог викликав отруєння 10 тис. осіб у 1970 році та 28 тис. – 1971 р.

Антропогенне забруднення літосфери. У процесі еволюції людина почала змінювати поверхню землі; особливо великих обсягів ці зміни досягли за останні шістдесят років. Після 1950 р. в усьому світі почався швидкий процес урбанізації, який зумовив збільшення чисельності міського населення. Того часу інтенсивно розвивалася господарська інфраструктура, що супроводжувалося серйозними змінами поверхні літосфери – будувалися залізничні та автомобільні шляхи, прокладалися нафтопроводи, лінії електропередач та зв’язку.

90 % великих водосховищ світу побудовані також після 1950 р. Крім водосховищ, побудовано канали великої протяжності, мережі дрібних каналів, а також дренажні системи. У мережах зрошувальних і дренажних каналів проходять активні ерозійні процеси.

Поверхня літосфери порушується і під час гірських розробок та створення кар’єрів, а також під час геологорозвідувальних робіт, які супроводжуються копанням шурфів, бурінням свердловин, вибуховими роботами. Це зумовлює, як правило, активізацію небезпечних стихійних природних явищ: завалів, просідання ґрунту, створення умов для формування снігових лавин, сприяння збільшенню поверхневого стоку.

28

Нині відбувається великомасштабне втручання людини в систему водо-, нафто- і газоносних горизонтів літосфери, які розташовані на різних глибинах. При цьому вплив на літосферу здійснюється кількома шляхами.

Частина поверхневого стоку переводиться у підземний у разі:

•зрошування. Під час зрошування в магістральних каналах і безпосередньо на полях даремно витрачається до 30 % води. У результаті на більшій частині зрошувальної території відбувається піднімання рівня ґрунтових вод і навіть виникають заболочені території;

•підтоплення земель у районі водосховищ. Таке піднімання рівня ґрунтових вод і заповнення ненасиченої зони зумовлюють зміни механічних властивостей ґрунту, сприяють руйнуванню берегів водосховищ, розвитку суфозії – вимивання з ґрунту мінеральних частинок, просідання верхніх шарів ґрунту та утворення порожнин;

•переведення частини поверхневого стоку в підземний. Виникає в усіх населених пунктах внаслідок роботи водогінної та каналізаційної систем. При цьому руйнуються фундаменти, осідають ґрунти, розвивається суфозія;

•закачування забруднених відпрацьованих вод у глибокі свердловини та закачування гарячої води і пари в нафтові свердловини для

збільшення нафтовіддачі пласту. Масштаби негативних наслідків таких закачувань величезні.

Потужним засобом впливу на літосферу є відкачування води з різних горизонтів підземних вод для водопостачання.

Вторгненням у літосферу є добування нафти і газу. За час експлуатації нафтогазових родовищ пробурено тисячі таких свердловин глибиною до 2 км, і на їхньому місці виникли великі депресійні урвища; розкрито і розгерметизовано глибокозалеглі водо-, нафто- і газоносні горизонти.

Крім розвідувальних і промислових свердловин, доволі глибокі горизонти надр пронизують шахти з видобування корисних копалин: вугілля, поліметалічних руд, солей. Утворені підземні пустоти весь час зростають за об'ємами і площами і зумовлюють просідання ґрунту. На більшості підприємств із видобутку вугілля, на жаль, не практикується заповнювати вироблений підземний простір.

Райони видобутку нафти, газу та вугілля є джерелами виділення в атмосферу метану, який є одним із чинників утворення парникового ефекту.

У нормальних природних умовах усі процеси в ґрунті перебувають у рівновазі. Основним фактором порушення рівноваги стану ґрунту є антропогенний. Унаслідок господарської діяльності людини відбувається ерозія, дефляція (вітрова ерозія), заболочування, засолення і забруднення ґрунтів.

29

Сьогодні на кожного жителя нашої планети припадає менше ніж 1 га орної землі. Ці незначні площі продовжують скорочуватись через невмілу господарську діяльність людини. Так, в Україні за останні 25 років вміст гумусу в ґрунті зменшився з 3,5 до 3,2 %, площі кислих ґрунтів збільшилися на 1,8 млн. га (25 %), а площі засолених – на 0,6 млн. га (24 %). Через неправильну меліорацію майже 50 тис. га орних земель підтоплені.

Великі площі родючих земель у світі гинуть під час гірничопромислових робіт, будівництва підприємств і міст. Знищення лісів і природного трав’яного покриву, багаторазове розорювання землі без дотримання правил агротехніки призводить до виникнення ерозії ґрунту – руйнування і зміни родючого шару водою і вітром. Водна ерозія полягає у змиванні верхнього шару ґрунту або розмиванні його в глибину під впливом талих, дощових і поливних (іригаційних) вод. Вітрова ерозія, або дефляція (розвіювання і видування ґрунту) завдає руйнації у посушливих степових, напівпустельних і пустельних районах з піщаними і супіщаними ґрунтами.

Одним із наслідків промислової діяльності людини є інтенсивне забруднення ґрунтового покриву. Основними забруднювачами ґрунту є метали та їх сполуки, радіоактивні елементи, а також добрива і пестициди, які використовуються у сільському господарстві.

До небезпечних хімічних забруднювачів ґрунтів належить ртуть та її сполуки. Ртуть потрапляє в навколишнє середовище з отрутохімікатами, відходами промислових підприємств, які містять металеву ртуть та її сполуки.

Ще більш масовий і небезпечний характер має забруднення ґрунту свинцем. Відомо, що під час виплавляння однієї тонни свинцю в навколишнє середовище з відходами викидається до 25 кг цього металу. Сполуки свинцю використовуються як добавки до бензину (тетраетилсвинець), тому автотранспорт є серйозним джерелом свинцевого забруднення ґрунтів. Особливо багато свинцю в ґрунтах вздовж великих автомагістралей. Ґрунт стає «мертвим», якщо в ньому міститься 2–3 г свинцю на 1 кг ґрунту (навколо деяких підприємств вміст свинцю досягає 10–15 г/кг).

Радіоактивні елементи можуть потрапляти в ґрунт і накопичуватись у ньому в результаті випадання опадів відядерних вибухів або внаслідок скидання в навколишнє середовище рідких та твердих відходів АЕС та промислових підприємств, діяльність яких пов'язана з використанням атомної енергії.

На родючість ґрунтів негативно впливає надмірне використання хімічних речовин, що використовуються для боротьби зі шкідниками, бур'янами і хворобами рослин. Серйозними проблемами навколишнього середовища також є:

−спустелювання (аридизація) земель – деградація ґрунту в посуш-

ливих районах, викликана згубним впливом людської діяльності і

30