Тақырып 9. Литосфераның экологиялық химиясы

Литосфера - тереңдеген сайын зат ауданы кіші сфераларға ауысатын Жердің сыртқы қатты қабықшасы. Өзіне жер қабатын және Жердің сыртқы мантиясын қосады. Литосфераның қуаты 50-200 км, соның ішінде жер қабатында 50-75 км дейін жер бетінде және 5-10 км мұхит түбінде. Литосфераның жоғарғы қабаттары (2-3 км-ге дейін, кейбір мәліметтер бойынша-8,5 км-ге дейін) литобиосфера деп аталады. Жер бетінің химиялық құрамы 9.1 кестесінде берілген.

Кесте 9.1

10 - 20 Км тереңдіктегі жер бетінің химиялық құрамы

Элемент	Массалық үлесі, %
Оттегі Магний Темір Көміртегі Калий Алюминий Титан Натрий Кремний Сутегі Кальций Хлор	49,13 2,35 4,20 0,35 2,35 26,00 0,61 2,40 26,00 1,00 3,25 0,20

Жер бетіндегі элементтердің табиғи химиялық қосылыстары минералдар деп аталады. Олардан тау жыныстарының көптеген типтері құралады. Магмалық, шөгінді және метаморфтық жыныстар тау жыныстарының негізгі топтары болып табылады.

Пайдалы қазбаларды алу және пайдалану нәтижесінде жердің жоғарғы қабаттары күшті өзгерістерге ұшырағанмен, адам литосфераға әсер етпейді. Табиғи ресурстар - бұл адам өз тіршілігі үшін пайдаланатын табиғаттың денелері мен күштері. Оларға күн жарығы, су, ауа, топырақ, өсімдік, жануарлар, пайдалы қазбалар және адам жасамаған, бірақ оларсыз тірі жан ретінде де, өндіруші ретінде де өмір сүре алмайтын барлық заттар жатады.

Табиғи ресурстар келесі белгілеріне сай классификацияланады:

• оларды пайдалану бойынша - өндірістік (ауылшаруашылық және өнеркәсіп), денсаулық сақтауда (рекреациялық) эстетикалық, ғылыми және т.б;

• табиғаттың белгілі бір компоненттеріне жатуы бойынша - топырақ, су, минерал, жануарлар және өсімдер әлемі және т.б;

• алмастырылуы бойынша - алмастырылатын (мысалы, отын - минералды энергетикалық ресурстарды жел, жарық энергиясымен алмастыруға болады және алмастырылмайтын (демалу үшін ауадағы оттегіні және ішетін тұщы суды ештеңемен алмастыра алмаймыз);

• азаюына қарай - азаятын және азаймайтын.

Жоғарыда келтірілген белгілер өзіндік артықшылықтары мен кемшіліктері бар табиғи ресурстардың бірнеше классификациясын ұсынуға мүмкіндік береді. Табиғи ресурстардың азаю белгісі бойынша бөлінуі ғылым мен практика үшін үлкен қызығушылық туғызуда.

Азаймайтын ресурстар - табиғи ресурстардың сан жағынан азаймайтын, таусылмайтын бөлігі (күн энергиясы, теңіз суы, ағынды су, атмосфера, алайда олар қатты ластанғанда азайтуға болатын ресурстар категориясына ауысады).

Азаятын - оларды табиғи ортадан алған сайын олардың сан мәні тоқтаусыз азая беретін ресурстар. Олар өз кезегінде толықтырылатын (өсімдік, жануарлар әлемі, су, ауа, топырақ) және толықтырылмайтын (минералдар) болып бөлінеді. Олар табиғи процестер нәтижесінде толтырылмағандықтан (мыс, темір, алюминий, т.б) және олардың қорлары тұтынуға қарағанда баяу толатындықтан (мұнай, көмір т.б) азаюы мүмкін. Сондықтан болашақта адамзаттың толтырылмайтын ресурстарды пайдаланудың тиімді құралдары мен әдістерін, соның ішінде екінші шикізатты қайта өңдеу әдістерін іздеуіне тура келеді. Қазіргі кезде Д.И.Менделеевтің периодтық жүйесінің барлық элементтері пайдаланылады. Минералды шикізаттың көптеген түрлерін қолдану және қайта өңдеу дәрежесі прогресс пен қоғамның өмірін анықтайды. Металдар, су, минералды және органикалық шикізат негізі шикізаттық ресурстар болып табылады. Жер қойнауын пайдалану жылдан жылға артуда. Соңғы 100 жылда темірдің, көмірдің, марганецтің және никелдің жылдық тұтынылуы 50-60 есе, ал вольфрамның, алюминийдің, молибденнің және калийдің жылдық тұтынылуы 200-1000 есе артып отыр.

Соңғы жылдары энергетикалық ресурстарды - мұнай, табиғи газды алу артып отыр. Осылай, 1991 жылы әлемде 3340 млн. тонна мұнай өндірілген, оның 40% АҚШ, Сауд Аравиясы және Ресейге тиесілі. 2115 млрд. м3 табиғи газ өндірілген, оның 38% Ресейге, 24% АҚШ-қа тиесілі. Әлемде алтын мен алмазды алуда артты. Қазіргі заман минералды - шикізаттық ресурстарды тұтынудың үнемі өсуімен сипатталады. Сондықтан минералды ресурстарды дұрыс пайдалану мәселесі туады, оны келесі әдістермен шешуге болады:

- пайдалы қазбаларды геологиялық барлаудың жоғары тиімді әдістерін, өндірудің ресурсты сақтайтын әдістерін жасау;

- минералды шикізатты кешенді пайдалану;

- қойнаудың қорларын меңгеру және пайдаланудың, әсіресе шикізатты байыту және қайта өңдеу кезеңдерінде шикізаттың жойылуын қысқарту;

- жаңа заттарды, минералды шикізаттың органикалық синтезін жасау;

Табиғи ресурстарды дұрыс пайдалануда маңызды рөл ресурс сақтайтын технологиялар тиесілі. Олар ең алдымен энергетикалық тиімділікті - шығындалатын энергия мен осы кезде алынатын пайдалы өнім арасындағы қатынасты қамтамасыз етуге мүмкіндік береді. Т.Миллер (1993) айтқандай, ядролық отыннан алынатын жоғары сапалы энергияны үйлерді жылыту үшін пайдалану - «бұл майды циркулярлы арамен кескен немесе шыбынды кішкене балғамен ұрған сияқты». Сондықтан энергияны пайдаланудың негізгі ұстанымы энергия сапасының қойылған тапсырмаға сәйкес болуы керек. Үйлерді жылыту үшін күн энергиясын, термалды көздердің, желдің энергиясын пайдалануға болады. Бұл 1089 елде қолданыста жүр. 9.1 - суретте қоғамның екі типінің: бір рет тұтынушы қоғам, олар қалдық көп бөледі және табиғатты сақтайтын қоғамның моделдері көрсетілген. Қоғамның екінші типі - бұл негізінде энергия мен рециркуляцияланған заттарды дұрыс пайдалану, толтырылмайтын ресурстарды екінші рет пайдалану, сонымен бірге (бұл маңызды) қоршаған ортаның экологиялық шыдамдылық қадамынан асып кетуге болмайтын болашақтың қоғамы. Мысалы, ластаушы заттардың табиғи ортаға түсуінің алдын алу, оны ластанудан тазартуға, тырысуға қарағанда оңай және арзан. Өндірістің, тұрмыстың, транспорттың және т.б. қалдықтарын потенциалды түрде басқа салаларда және регенерация барысында пайдалануға болады. Зиянды қалдықтар жойылуы керек, ал пайдаланылмайтыны жарамсыз деп саналады. Қалдықтардың негізгі түрлері тұрмыстық, өндірістік және өндірістік тұтынудың қалдықтары деп бөлінеді.

1. Тұрмыстық (коммуналдық) қатты (соның ішінде ағын сулардың қатты құрамдасы - олардың шөгіндісі) қалдықтар - тұрмыста жойылмаған, тұрмыс заттары мен адамның өз өмірін (монша, асхана, емхана, т.с.с.) амортизациялау нәтижесінде құралады. Тұрмыстық қалдықтарды жою үшін қуатты қалдық өртейтін қондырғылар немесе зауыттар жасайды, олар өнеркәсіп пен үйді жылытуға электрэнергиясын береді.

2. Өндіріс қалдықтары - өнімді өндіру кезінде құралған шикізат, материалдардың, жартылай фабрикаттардың қалдықтары. Ол қайтымсыз (ұшып кету, кеуіп қалу, т.б.) және қайта өнделетін қайтымды болуы мүмкін. Шетелдік мәліметтер бойынша ЕЭК елдерінде 60% тұрмыстық қалдықтар көміледі, 33% өртеледі және 7% қысылады. Өндірістік және ауылшаруашылық қалдықтарға келсек 60 және 95% қайта өнделеді.

3. Өндірістік тұтыну қалдықтары - ары қарай пайдалануға жарамсыз машиналар, механизмдер, құралдар, т.б. Олар ауылшаруашылық, құрлыстық, өндірістік, радиактивті болуы мүмкін. Соңғылары қауіпті және оларды мұқият көшіру немесе белсенділігін жою керек.

Соңғы жылдары тірі ағзаларды уландыруға немесе басқаша қауіп төндіруге қабілетті қауіпті улы қалдықтардың саны артуда. Бұл ең алдымен пайдаланылмаған ауыл шаруашылығындағы, өндірістегі улы химикаттар, канцерогенді және мутагенді заттар болып табылады. Ресейде қатты тұрмыстық қалдықтардың 10%, АҚШ-та 41%, Ұлыбританияда 3%, Жапонияда 0,3% қауіпті қалдықтарға жатады. Көптеген елдердің аумағында «қақпандар» бар, яғни ұмытылып кеткен қауіпті қалдықтардың көмілген жерлері бар, онда қазір тұрғын үйлер және басқа нысандар тұрғызылған, олар әр түрлі аурулардың пайда болуымен көрініп тұрады. Мұндай «қақпандарға» ядролық сынақтар жүргізілген жерлерді де жатқызуға болады. Көмудің істегі жобалары мен жер асты ядролық сынақтарын «келтірілген» жер сілкінулер көрсетуі мүмкін.

Литосфераның ең жоғарғы беті көп өзгеріске ұшырайды. Топырақ жер шарының бетінің 29,2% алып жатыр және өзіне әртүрлі категориялы жерлерді қосады, оның ішінде құнарлы топырақтың маңызы зор. Топырақ - бұл жердің беттік қабаты, ол өсімдіктің, жануарлардың, микроағзалардың, тау жыныстарының әсерлесуі нәтижесінде құрылады және дамиды, өзіндік табиғи құрылуы болып табылады. Топырақтың маңызды қасиеті оның құнарлылығы - өсімдіктердің өсуін және дамуын қамтамасыз ету қабілеттілігі болып табылады. Топырақ Әлемдік мұхитпен қатар барлық биосфераға әсер ететін үлкен экологиялық жүйе болып табылады. Ол табиғаттағы заттар мен энергияның айналымына белсенді түрде қатысады. Жер атмосферасының газдық құрамын ұстап тұрады. Биоценоздардың маңызды құрамдасы - топырақтың көмегімен тірі ағзалардың литосферамен, гидросферамен және атмосферамен экологиялық байланысы жүзеге асады. Ғылыми топырақтанудың негізін қалаушы көрнекті орыс ғалымы В.В.Докучаев (1846-1903) болып табылады, ол топырақ түзуші процестің мәнін ашты. Топырақ түзуші факторларға аналық (топырақ түзуші) жыныстар, өсімдік және жануарлар, климат, рельеф, уақыт, су (топырақтық және грунттық) және адамның шаруашылық қызметі жатады. Топырақтың дамуы аналық жыныспен (гранит, извест т.б.) тығыз байланысты. Дымқыл топырақ массасының құрылуы химиялық желдету және биологиялық өсімдіктер әсерінен спецификалық органикалық заттардың құрылу процестерімен байланысты.

Топырақтың құрамына төрт маңызды құрылымдық компонент кіреді: минералды негіз (топырақтың жалпы құрамының 50-60%, органикалық заттар (10%-ке дейін), ауа (15-25%), су (25-35%). Топырақтың құрылымы ондағы саз бен балшықтың салыстырмалы құрамымен анықталады. Топырақтардың химизмі минералды қаңқамен және органикалық затпен анықталады. Минералды компоненттердің көп бөлігі топырақта кристалды құрылымдар түрінде көрсетілген. Топырақтағы көп минералдар силикаттар болып табылады.

Суды және қоректік заттарды ұстап қалуда сазды минералдар үлкен рөл атқарады, олардың көбі суда коллоидты суспензияны түзеді. Сазды минералдың әр кристалы алюминийдің гидроксидті қабаттарымен біріккен силикат қабаттары бар, олардың тұрақты теріс заряды бар, оны топырақ ерітіндісіндегі адсорбирленген катиондарымен бейтараптайды. Осының арқасында катиондар топырақтан шығып қалмайды және топырақ ерітіндісіндегі басқа катиондармен алмасады. Бұл катион алмасу қабілеті топырақ құнарлылығының маңызды индикаторларының бірі.

Топырақтың органикалық заттары өлі ағзалардың, олардың бөліктерінің, экскреттері мен фекалийлердің ыдырауынан құрылады. Ыдыраудың ақырғы өнімі саз секілді коллоидты күйдегі гумус болып табылады және катионды алмасу қабілеті жоғары бөлшектер көп қабатқа ие. Гумустың құрылуымен бірге өмірлік маңызды элементтер органикалық байланыстан органикалық емес қосылыстарға көшеді, мысалы азот аммоний иондарына, фосфор ортофосфат - иондарына, күкірт сульфат иондарына көшеді. Бұл процесс минералдану деп аталады. Тынысалу процесінде көміртегі СО₂ түрінде шығады.

Тақырып 10. Экологиялық мониторинг

Мониторинг (латын тілінен аударғанда monitor ескертуші, алдын-алушы) қоршаған ортаның антропогенді факторлердің әсерінен күйінің өзгеруіне болжам, баға және бақылаулардың кешенді жүйесі. Бұл термин БҰҰ-ның Стокголындағы коршаған орта жөніндегі конференциясы алдында бақылау ұғымына қосымша ретінде пайда болады. Мониторинг теориясының жасақталуына И.П.Герасимов, Ю.А.Израэлв, В.Д.Федоров және тағы басқа үлкен үлес қосты. Табиғатты пайдалануды саналы басқару үшін бәрінен бұрын адам өмірі үшін ең қолайлы ортаның мәліметтері болу қажет. Бұл жұмыстағы бастапқы түсінік ретінде ортаның сапасы қызмет етеді, яғни әрі адамның экологиялық жағдайын, әрі қоғамның ғылыми техникалық процесін қанағаттандыратын оның параметірлерінің жиынтығы. Экологиялық жүйедегі өзгерістер туралы уақытыны ақпарат алу үшін есептеу нүктесі деп аталатын, яғни Ю.А.Израйл фондық деп атайтын ортаның сапасының параметрінің белгілі мәні қажет болады. Мұндай фондық күйдің параметрлері тұрақты болмайды,қайтымсыз өзгерістерді болдырмау мақсатында берілген жүйені бөтен әсерлер шектен тыс шығарылуы керек ортаның кейбір критикалық деңгейінің шектерінде адам қызметінің әсерінен өзгеріп отырады. Мұндайларға берілген жүйеге жатпайтын заттар ксенобиотиктердің шекті мүмкін экологиялық жүктеме немесе шекті мүмкін концентратция жатады.

Коршаған орта бойынша БҰҰ-ның секретариаты экологиялық мониторингті алдын-ала дайындалған бағдарламаларға сәйкес белгілі бір мақсатпен қоршаған орта элементтерін қеңестік пен уақытта қайта бақылаулардың жүйесі ретінде анықтады. Мониторингтің нысандары табиғи антропогенді немесе табиғи-антропогенді экожүйелер болуы мүмкін. Мониторингтің мақсаты-тек қана деректердің помивті констатациясы емес,сонымен бірге эксперименттің жүргізілуі,процестердің модельденуі.

Мониторингті ұйымдастыру кезіңде түрлі деңгейдегі бірнеше тапсырмаларды шешу қажет болады, сондықтан И.П.Герасимов (1975) мониторингтің үш деңгейін қарастыруды ұсынды.

Биоэкологиялық мониторингте(синоним локальды)нақты ластау көздерінің әсеріне ұшыраған адам өмірі зиянды улы химиялық заттардың атмосфера,табиғи су, топырақ, өсімдіктердің құрамындағы мөлшерін бақылау жүгізіледі: сол кезде табиғи орталардың ластаушы көзі мен ластану дәрежесін анықтайды. Қоршаған орта күйін ең маңызды, көлемді және кешенді көрсеткіш болып табылатын адам денсаулығы тұрғысынан бағалайды. Локалды монитормнг гидрометеорологиялық су шаруашылығы мен санитарлы-эпидемиологиялық қызметтер жүргізеді. Экожұйелік мониторинг (синонимдері-геоэкологиялық, аймақтық, табиғи шаруашылық) табиғатпен міндетті түрде қандай да бір өзара әсерді болдыратын ауыл шаруашылығы, энергетика, өнеркәсіп, орман шаруашылығы, балық аулау, коммуналды тұрмыстық қызмет және т.б адамның әдеттегідей шаруашылық қызметі барысында табиғи ортаға антропогенді әсердің бағасын беру керек. Мониторингтің бұл түрі адам мен табиғаттың барлық бағыттарда өзара әсерінің бағасын болжайды және табиғи ортадан зат пен энергияның өрісі мен шығынына сипаттама береді. Аймақтық мониторингті агро қызмет,гидроклиматтық,сейсмологиялық және т.б қызметтер жүргізіледі.

Биосфералық мониторинг адам қызметімен байланысқан биосферадағы жалпы планетарлық өзгерістерін бақылайды.

Биосфералық мониторингтің негізгі тапсырмалары «Адам жане биосфера» Халықаралық бағдарламасының бөлімдерінің бірінде анықталған және ол келесіден тұрады:

-экожүйелер,олардың көздері,популяциялары немесе бөлек ағзалардың ластануы,құрылымы және функциялануы арасында өзара байланыс орнату;

-Экожүйенің күйін бақылау және бағалау, оның болашақта өзгеруіне болжам жасау үшін қажетті көрсеткіштер мен өлшеулер тірлігін анықтау.

-Ластаушы заттардың экожүйедегі турленуінің жолы мен жылдамдығына айналуы.

-Қоршаған ортаның көрсеткіштерінің критикалық деңгейлерін анықтау.

-Амосферада өлшенген бөлшектер, тұнба, озон, көміртегі диоксиді, күкірт диоксиді, азот оксиді, көмірсутек,с ульфаттар, 3,4 бензоперин, ДДТ;

- атмосфералық жауын- шашындарда-қорғасын, сынап, кадмий, мышьяк, 3,4-бензирен, рн:

- беттік жералды суларында, дондық ұабаттарда-қорғасын, сынап, метал сынап, каллий, мышьяк, ДДК,3,4- биогенді, элементтер;

- топырақтарда қорғасын, сынап, каллий, мышьяк, ДДТ, 3,4-биогенді элементтер.

Үшілердің унифициирленген әдістермен аталуын анамитикалық орталықтарда Санкт-Петербург және Ташкентте орындайды. Кешенді фондық мониторинг бойынша жұмыстарды табиғи орта мен рф-ның Голкаитдраментінің климатының мониторингінің лабораториясы координациялайды және жалпылайды.

Құралдардың көмегімен лотонд дәрежесін бағалау әдістермен қатар, әсіресе нақты химиялық қоспаларға сезімтал тірі ағзалардың (бір нысандардың текті) негізделген билогиялық индикацияның әдістері қолданылады. Мұндай биоиндикаттар ретінде ауаның ластануына тітіркенетін дафниялар, инфузориялар; топырақ фаунасы (нысаны, жаңбыр құрттары) топырақтың ластануыкезінде қызмет ете алады.

Қазіргі кезде аймақтың және ғаламдық маштабта қолданылатын аэрокататтық мониторингжүйе тез дамуда. Жердің коммастан бейнесі - бұл бәрінен бұрын табиғи және шаруашылық жүйелерінің интегралды бейнесі. Зерттеуші жер беті жөнінде бейнелік немесе сандық мәліметтер арқылы көрінетін спектрдің кең зонасында, ульракулгін, инфрақызыл және радиокациялық диапазондарда зерттейді. Компостық мониторингтің жетістіктеріне жер табиғатының ғаламдық және аймақтық ерекшеліктерін бақылау мүмкіндігі, кориматан жасалынған суреттерді ақпарттық кешенді сипаты жатады, бұл олардың табиғаттың күрделі компаненттерін зерттеу және антропогенді әсер іздерін анықтауда қолданылуына мүмкіндік береді. Табиғаттағы антропогенді өзгерістердің қазіргі замандағы жылдамдығы мен маштабы қайтымсыз теріс нәтижелерге алып келуі мүмкін, ал мұны экологиялық жүйелер мен биосфераның тұтас деңгейінде жүретін барлық процестерді білген жағдайда тоқтатуға болады.Экологиялық мониторингпен қатар, бұл тапсырманы шешу үшін экологияда модельдеу мен экологиялық экспертизаны қолданады.

Модельдеу ретінде экологияда процестер мен құбылыстарды зерттеу, түрлі эксперименттердің тірі табиғатта емес, ең қарапайым түрі аквариум болып табылатын (террариум) арнайы құрылған жасанды нысандарда, немесе графикалық, табиғи жүиелердің қасиеттерін көрсететін логикалық, математикалық схемаларда қойылуы, жасанды түйіндіреледі.Қарапайым экспериментке қарағанда модельдеуде теориялық кезең дамыған. Ол модель мен нақты құбылыстың арасындағы аномияға және осы негізде модель негізінде алынған нәтижелерді құбылысқа көшіруге мүмкіндігіне тероиялық негізделуді қарастырады. Кез-келген модельге қойылатын талаптардың бірі-бұлоның модельденетін жүйеге ұқсас, сәйкес болуы, Тұтастай осы қондырғылардың көшірмесін келтіретін құрылғылардың физикалық модельдері аса қарапайым және дәстүрлі болады. Концептуалды модельдер-кішкене жүйелердің және процестердің аса кең жүйелер шеңберінде әсерлесуінің блокты схемалары түрінде болады. Үлгі ретінде заттардың айналуы және т.б. қызмет етеді. Бұл модельдер сандық интерпретацмиямен күрделенуі мүмкін. Графикалық модельдер-тікбұрышты координаттар жүйесінде келтірілетін түрлі процестер арасындағы байланыстар. Ереже бойынша бұл модельдер бір параметрдің екіншісінің өзгеру шамасы бойынша өзгеруін сипаттайды. Бірқатар жағдайларда, графикалық модельдер кестелік модельдер түрінде және керісінше келтірілуі мүмкін.

Математикалық модедьдеу математиканың көмегімен жүйелер мен олардың компаненттерінің әрекетін зерттеу мен формуладан тұрады. Математикалық аппаратты биологиялық процестерді сипаттауда қолданудың екі әдісі бар. Біріншісі-белгілі процестердің фоармализациясы, жалпы специфика және заңдылығы практикалық жолмен орнатылатын (бақылаулар немесе эксперименттер) процестердің формализациясы. Алынатын нәтижелер әрі қарай теңдеулерге түрлендіретін графиктер түрінде көрсетіледі. Мысалы, зиянды заттардың ЛИМК-н олардың физико-химиялық қасиеттерімен (молекулалық мағынасымен ерекшеленген және т.б.) суда және атмосферада логарифмдік формада байланыстыратын теңдеулер. Модельдеудің екінші әдісінде бір немесе басқа да бір заңдылық жөнінде, мысалы, биоценетикалық процестер жөнінде кейбір болжамдық тұжырымдау айтылады, және бұл болжамдық заңдылық математикалық теңдеудегі айнымалылардың қасиетінің белгілі заңына «қосылады».

Берілген модельдер идеал, әдістемелік мәні бар, бірақ нақты ситуацияларды бейнелейтін модельдер болып табылады. Сондықтан да теориялық моделдеуде зерттеулер аса күрделі модельдерді қолданады. Нақты биологиялық процесстер популяциялар мен биогеоценездер деңгейінде күрделі болатыны соншалықты, ақпараттың шектеулігі мен оның формальды интерпретациясы ның қиындылығы әсерінен ол математикалық анализ негізінде қанағаттандырарлық анализге берілмейді.