24. Предмет геоэкологии. Основные понятия, объект, задачи, методы. Классификация экологических воздействий.

Геоэкология – отрасль знаний о процессах, возникающих в результате воздействий человеческого общества на природную среду и измененной природной среды на человека. Объектом изучения геоэкологии являются геосферы Земли, в пределах которых обитает человек и где осуществляется взаимодействие человека с природным окружением. Предметом геоэкологии является знание о процессах, возникающих при взаимодействии человека и его многочисленных технических средств с компонентами природной среды. Основные задачи:

 изучение механизмов, обеспечивающих устойчивость глобальной геоэкосистемы;

 исследование степени антропогенного воздействия на глобальную геосистему в целом;

 изучение реакции компонентов глобальной геоэкосистемы (литосферы, гидросферы, атмосферы, биосферы и их подсистем) на антропогенные воздействия;

 изучение допустимых антропогенных нагрузок на природные системы с учетом хозяйственной емкости биосферы;

 обоснование практических действий, направленных на сохранение биосферы и ее подсистем путем оптимизации хозяйственной деятельности человека.

Геоэкология использует следующие методы:

Описательный метод. При описании фиксируются только внешние стороны объекта или процесса. При этом вскрываются самые существенные стороны антропогенных изменений в системах разного уровня: виды воздействий, изменение видового состава сообществ, нарушение почвенного покрова и т.д.

Геофизический метод – количественное изучение движения вещества и энергии в геосистемах и экосистемах и влияние на этот процесс антропогенных факторов. Наблюдение проводится на пробных площадках с применением приборов, регистрирующих приход и расход солнечной радиации, составляющие теплового баланса, параметры атмосферы, миграцию вещества.

Геохимический метод предусматривает изучение химических элементов в геосистемах и их изменение в результате хозяйственной деятельности человека.

Индикационный метод основан на сравнении характеристик животных и растений в естественных ненарушенных и измененных биогеоценозах.

Картографический метод основан на картографировании явлений и изучении их по картам различного типа.

Аэрокосмические методы.

Классификация экологических воздействий:

 прямые

 косвенные

35. Антропогенные изменения в геосферах. Атмосфера.

Атмосфера – это газовая оболочка Земли с содержащимися в ней аэрозольными частицами. Половина всей массы атмосферы сосредоточена в нижних 5 км, а три четверти – в нижних 10 км.

Атмосфера состоит из концентрических слоев, отличающихся своими характеристиками, – тропосферы, стратосферы, мезосферы, термосферы, экзосферы и магнитосферы. Атмосфера представляет собой смесь газов, главными из которых являются азот (78,08%), кислород (20,95%), аргон (0,93%) и углекислый газ (0,03%). На долю остальных нескольких десятков, и даже сотен газов приходится всего лишь 0,01%, но многие из этих газов играют значительную роль в состоянии экосферы.

Процессы и особенности атмосферы изменяются под воздействием деятельности человека. Локальные изменения состояния природно-территориальных комплексов (ландшафтов), такие как возникновение и развитие городов, оросительных и других земледельческих систем, антропогенные преобразования пастбищ, возникновение водохранилищ и пр. ведут к локальным изменениям климата. Крупномасштабные антропогенные изменения поверхности Земли (например, обезлесение, опустынивание, деградация внутренних морей и озер и др.) также обусловливают изменения особенностей теплового и водного режима на больших территориях и акваториях, хотя пока еще менее заметные.

Наряду с изменениями физических особенностей атмосферы с вытекающими отсюда последствиями, происходят антропогенные изменения ее газового состава. По-видимому, в настоящее время роль человека проявляется сильнее в этой области, и химические трансформации в атмосфере создают ряд серьезных геоэкологических проблем. К их числу относят усиление парникового эффекта, кислотные осадки, деградацию озонового экрана атмосферы.

Парниковый эффект.

Атмосфера пропускает примерно половину коротковолнового излучения, идущего от Солнца к поверхности Земли. Другая половина отражается, рассеивается, поглощается атмосферой. При поступлении солнечной радиации на поверхность Земли она превращается в тепло. Нагретая поверхность испускает тепловое (длинноволновое) излучение, оно стремится уйти обратно в космос. Парниковые газы атмосферы (СО₂, водяной пар, фреоны, закись азота, метан и др.) препятствуют прохождению теплового излучения. Часть уходящего тепла задерживается ими и расходуется на нагревание приземного слоя атмосферы.

СО₂ .Основной источник поступления углекислого газа в атмосферу – сжигание горючих ископаемых (угля, нефти, газа) для производства энергии, гниение органических остатков. Сокращение лесов тропического и экваториального пояса, деградация почв, другие антропогенные трансформации ландшафтов приводят в основном к высвобождению углерода, которое сопровождается его окислением, то есть образованием СО₂. В атмосфере в результате деятельности человека ежегодно дополнительно накапливается 3,3±0,2 млрд. т углерода в виде углекислого газа.

Метан (СН₄) также играет заметную роль в парниковом эффекте, составляющую приблизительно 19 % от общей его величины (на 1995 г.). Метан образуется в анаэробных условиях на свалках и болотах. Оценки показывают, что около 20% суммарной эмиссии метана связаны с технологией использования горючих ископаемых (сжигание топлива, эмиссии из угольных шахт, добыча и распределение природного газа, переработка нефти). Всего антропогенная деятельность обеспечивает 60–80 % суммарной эмиссии метана в атмосферу.

Текущая роль оксида азота (N₂O) в суммарном парниковом эффекте составляет всего около 6%. Источниками антропогенного оксида азота является сельское хозяйство (в особенности пастбища в тропиках), сжигание биомассы и промышленность, производящая азотсодержащие вещества.

Хлорфторуглероды (ХФУ). Их итоговая роль в парниковом эффекте составляет, на середину 1990-х гг., приблизительно 7%.

Озон (О₃) – важный парниковый газ, находящийся как в стратосфере, так и в тропосфере. Он влияет как на коротковолновую, так и на длинноволновую радиацию, и потому итоговые направление и величина его вклада в радиационный баланс в сильной степени зависят от вертикального распределения содержания озона, в особенности на уровне тропопаузы, где надежных наблюдений пока недостаточно.

Воздействия на озоновый экран атмосферы.

Максимальная концентрация озона сосредоточена в тропосфере на высотах 15–30 км, где существует так называемый озоновый слой. Его масса столь мала, что при нормальном, приземном давлении весь атмосферный озон образовал бы слой всего 3 мм толщиной. Озоновый слой тоньше в экваториальных районах и толще в полярных. Он отличается значительной изменчивостью во времени и по территории (до 20%) вследствие колебаний солнечной радиации и циркуляции атмосферы, что маскирует антропогенные воздействия.

Озоновый слой защищает живые организмы Земли от вредного и даже губительного воздействия ультрафиолетовой радиации Солнца (UV). Решающую роль в разрушении озонового слоя играют хлорфторуглероды.

Хлорфторуглероды представляют собой группу органических веществ, в которых все атомы водорода замещены на комбинацию атомов хлора, фтора и брома. Они чрезвычайно устойчивы в тропосфере, и потому по мере роста их использования происходило повышение их концентрации со скоростью до 5–6% в год. Со временем эти газообразные вещества перемещаются в стратосферу. На высоте около 25 км вследствие более высокой, чем в приземном слое, интенсивности солнечной радиации происходит их разрушение с выделением атомов хлора (Cl) и молекул моноксида хлора (ClO), которые являются более сильными катализаторами процесса разрушения молекул озона, чем оксиды азота:

Cl + O₃  ClO + O₂

ClO + O  Cl + O₂

При этом процессе каждый атом хлора может разрушить 10⁵ молекул озона. Подобные реакции происходят и при участии атомов и соединений брома.

Кислотные осадки.

В естественных условиях атмосферные осадки обычно имеют нейтральную или слабо кислую реакцию, то есть показатель их кислотности/ щелочности обычно меньше 7,0 (рН=7). В присутствии углекислого газа и при температуре 20°С дождевая вода имеет рН равный 5,6. В присутствии других природных газов рН дождевой воды снижается примерно до 5,0. Однако часто случается выпадение атмосферных осадков, имеющих значительно более кислую реакцию. Кислотная реакция осадков может быть в 10 раз больше (то есть рН = 4), и даже временами, в очень загрязненных районах, достигать 3,5. Принято, что кислотные осадки (или “кислотные дожди”) это осадки с рН<5.

Кислотные осадки бывают двух типов: сухие, обычно выпадающие невдалеке от источника их поступления в атмосферу, и влажные (дождь, снег и пр.), распространяющиеся на большие расстояния.

Основные компоненты кислотных осадков – аэрозоли оксидов серы и азота (SO_х и NО_x), которые при взаимодействии с атмосферной, гидросферной или почвенной влагой образуют серную, азотную и другие кислоты. Аммиак (NH₃) – еще один основной компонент кислотных осадков.

Источниками антропогенных кислотных осадков являются процессы сжигания горючих ископаемых, главным образом угля, в тепловых электростанциях, в котельных, в металлургии, нефтехимической промышленности, на транспорте и пр. Другой источник кислотных соединений – сельское хозяйство (при внесении азотных удобрений).

Поскольку главный антропогенный источник кислотных осадков – тепловая энергетика, то основной путь контроля кислотных осадков – снижение эмиссии оксидов серы и азота посредством таких технологических приемов как использование менее загрязняющего топлива благодаря промывке измельченного угля перед его сжиганием, понижение температуры сжигания угля, извлечение серы из отходящих газов и т.п. Однако все эти приемы повышают стоимость производимой энергии. Другой, принципиально иной путь – экономия в использовании энергии. Кислотные дожди способствуют вымыванию. минеральных веществ из почвы, переводят в растворимое состояние алюминий почвы, что ведет в конечном счете к заморам рыбы и снижению продуктивности водоемов, снижению жизнестойкости растений.

Основными источниками загрязнения воздуха являются теплоэнергетика, черная и цветная металлургия, химическая промышленность, транспорт, нефте- и газопереработка. Каждый индустриальный источник загрязнения выделяет в воздух десятки тысяч веществ. Из них основные это пыль, зола, оксиды серы, азота, углерода, соединения тяжелых металлов, углеводороды, озон, органические вещества и др. Вот как они распределяются по некоторым основным группам предприятий-загрязнителей:

• Теплоэнергетика: оксиды углерода, серы и азота, пыль, металлы.

• Транспорт: оксиды углерода и азота, углеводороды, тяжелые металлы.

• Черная металлургия: пыль, диоксид серы, фтористые газы, металлы.

• Нефтепереработка: углеводороды, сероводород, дурнопахнущие газы.

• Производство цемента: пыль.

Основными направлениями защиты воздушного бассейна являются:

а) Санитарно-технические мероприятия (строительство сверхвысоких труб, установка газопылеочистного оборудования, герметизация производственных процессов и др.). Основная масса очищаемых и улавливаемых веществ – твердые частицы. В России во многих “грязных” отраслях (энергетика, черная и цветная металлургия, химия и пр.) улавливается до 90% пылевых частиц, но уровень очистки от газообразных веществ пока не превышает 30%.

б) Технологические мероприятия (внедрение малоотходных или безотходных технологий, соответствующая подготовка сырья, замена сухих технологических способов на мокрые и т.п.);

в) Пространственно-планировочные мероприятия (выделение санитарно-защитных зон, планировка городской и промышленной застройки в соответствии с преобладающими ветрами, озеленение и пр.);

г) Контрольно-запретительные мероприятия (введение величин предельно допустимых концентраций веществ и предельно допустимых выбросов в окружающую среду, запрещение производства отдельных веществ, временная приостановка загрязняющей деятельности, мониторинг загрязнения воздуха).

В ряде стран, а также во Всемирной Организации Здравоохранения (ВОЗ) утверждены стандарты, ограничивающие допустимые уровни загрязнения. В России основным показателем, используемым для контроля качества воздуха, являются предельно допустимые концентрации вредных веществ в воздухе (ПДК). Используются два типа ПДК: в воздухе рабочей зоны (ПДК_р.з.) и в атмосферном воздухе населенного пункта (ПДК_а.в.). ПДК_а.в. – это максимальная концентрация примеси в атмосфере, отнесенная к определенному времени осреднения, которая при периодическом воздействии или на протяжении всей жизни человека не оказывает на него вредного влияния, включая отдаленные последствия, и не оказывает вредного влияния на окружающую среду в целом.