Экология и современный мир

<

062414 2355 1 Экология и современный мирМногие достижения современного естествознания, составляющие базу для наукоемких технологий, связаны с изучением объектов природы на молекулярном уровне. Именно такое изучение позволило не только создать сверхпрочные, сверхпроводящие и многие другие материалы с необычными свойствами, но и по-новому взглянуть на биологические процессы, происходящие внутри клетки и даже внутри молекулы.

Современные средства естествознания — науки о законах, явлениях и свойствах объектов природы — позволяют изучать многие сложнейшие процессы на уровне ядер, атомов, молекул, клеток. Плоды постижения истинных знаний о природе именно на таком глубинном уровне известны каждому образованному человеку. Синтетические и композиционные материалы, искусственные ферменты, искусственные кристаллы — все это не только реальные объекты разработок ученых-естествоиспытателей, но и продукты потребления различных отраслей промышленности, производящих в широком ассортименте товары повседневного спроса.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. 2.1. Экология

 

Экология — наука об отношениях организмов и образуемых ими сообществ между собой и с окружающей средой. Точный перевод греческого слова «экология» означает изучение собственного дома. т.е. биосферы, в которой мы живем и частью которой является.

Термин «экология» возник в рамках биологии. Его автором был профессор Йенского университета Э. Геккель (1866 г.). Первоначально экология рассматривалась как часть биологии, изучающая взаимодействие живых организмов, в зависимости от состояния окружающей среды. Позднее на Западе появилось понятие «экосистема», а в СССР — «биоценоз» и «биогеоценоз» (ввел академик В.Н. Сукачев (1880—1967)). Эти термины почти идентична

 

2.2. Природа и человек

 

Бурное развитие промышленности, начавшееся в Европе в XVIII в., внесло существенные изменения во взаимоотношения природы и человека. До поры до времени человек, как и другие живые существа, был естественной составляющей своей экосистемы, ‘вписывался в ее кругооборот веществ и жил по ее законам.

Начиная с неолитических времен, т.е. с той поры, как человек освоил земледелие, а затем и скотоводство, взаимоотношения его с природой стали качественно меняться. Сельскохозяйственная деятельность постепенно создавала искусственные экосистемы, так называемые агроценозы, живущие по собственным законам: для своего поддержания они требовали и требуют постоянного целенаправленного труда человека. Без вмешательства человека они существовать не могут. Человек все больше и больше полезных ископаемых извлекает из земных недр. В результате его активной деятельности начинает меняться характер кругооборота веществ в природе и характер окружающей среды.

Однако до последнего времени все эти изменения происходили столь медленно, что о них никто серьезно не задумывался. Человеческая память, конечно, фиксировала крупные перемены: Европа еще в средние века была покрыта непроходимыми лесами, бескрайние ковыльные степи постепенно превращались в пашни, реки мелели, зверья и рыбы становилось меньше. И люди знали, что всему этому причина одна — человек! Но все изменения происходили медленно, явно заметными они оказались лишь по прошествии поколений.

Ситуация стала стремительно меняться по мере бурного развития промышленности. Главные причины этих изменений — добыча и использование углеводородного топлива (угля, нефти, сланцев, газа), а затем добыча в огромных количествах металлов и других полезных ископаемых. В кругооборот веществ в природе начали включаться вещества, запасенные былыми биосферами, находившиеся в осадочных породах и уже вышедшие из кругооборота. О появлении в биосфере этих веществ люди стали говорить как о загрязнении воды, воздуха, почвы. Интенсивность загрязнения нарастала стремительно, условия обитания стали зримо меняться.

Первыми происходящий процесс почувствовали растения и животные. Численность и, главное, разнообразие живого мира стали быстро сокращаться. Во второй половине ушедшего века процесс угнетения природы особенно ускорился. Перед человеком встала серьезная проблема изучения влияния на его здоровье, на условия его жизни, на его будущее тех изменений природной среды, которые вызваны им самим, т.е. неконтролируемой деятельностью и эгоизмом самого человек.

 

2.3. Деятельность человека и окружающая среда

 

Человеческая активность меняет характер окружающей среды, причем в большинстве случаев эти изменения оказывают негативное влияние на человека, и нетрудно понять, почему: за миллионы лет его организм приспособился к вполне определенным условиям обитания. В то же время любая деятельность — промышленная, сельско-хозяйственная является источником жизни человека, основой его существования. Значит, человек неизбежно и дальше будет менять характеристики окружающей среды, а потом искать способы приспособления к ним.

Отсюда одно из главных практических направлений современной деятельности человека — создание таких технологий, которые в наименьшей степени влияют на окружающую среду. Технологии, обладающие этим свойством, называются экологичными. Научные (инженерные) дисциплины, которые занимаются принципами создания таких технологий, получили общее название — инженерная, или промышленная, экология. По мере развития промышленности и с приходом к людям понимания того, что существовать в среде, созданной из собственных отбросов, они не могут, роль этих дисциплин постоянно возрастает. Сейчас почти в каждом техническом вузе существуют кафедры промышленной экологии, ориентированные на те или иные производств.

Одновременно с развитием промышленности возникает и проблема оценки ее воздействия на окружающую среду, что составляет второе направление экологии. Такое направление связано с определением значимых параметров окружающей среды, разработкой способов их измерения и созданием системы норм допустимых загрязнений. Незагрязняющих производств не может быть в принципе! Поэтому и родилась концепция ПДК — предельно допустимых норм концентрации вредных веществ в воздухе, в воде, в почве.

Во всех цивилизациях и у всех народов издавна существует представление о необходимости бережного отношения к природе. У одних — в большей степени, у других — в меньшей. Но то, что земля, реки, лес и обитающее в нем зверье — это непреходящая ценность, может быть, главная ценность, которой обладает природа, человек понял давно. И заповедники возникли, вероятно, задолго до того, как появилось слово «заповедник». Так, еще Петр Великий, который вырубил для строительства флота весь лес в Заонежье, запретил прикасаться топором к лесам, находящимся в окрестностях водопада Кивач.

Долгое время основные практические занятия экологии сводились именно к охране окружающей среды. Однако в XX в. этой традиционной бережливости, которая начала к тому же постепенно угасать под давлением развивающейся промышленности, уже оказалось недостаточно. Деградация природы стала превращаться в угрозу жизни общества. Это привело к появлению специальных природоохранных законов, к созданию системы заповедников вроде знаменитой Аскании-Нова. Родилась, наконец, и специальная наука, изучающая возможность сохранения реликтовых участков природы и исчезающих популяций отдельных живых видов. Постепенно люди пришли к пониманию, что только богатство природы, разнообразие живых видов обеспечивают жизнь и будущее человека. Сегодня этот принцип стал основополагающим. Природа без человека жила миллиарды лет, и теперь сможет жить без него, но человек вне полноценной биосферы существовать не может.

Перед человечеством неизбежно возникает проблема его выживания на Земле. Под вопросом будущность нашего биологического вида. Человечеству может грозить судьба динозавров с той лишь разницей, что исчезновение бывших властителей Земли, как предполагается, было вызвано причинами, не зависящими от человека, а мы можем погибнуть от неумения разумно использовать свое могущество.

Именно эта проблема и является центральной для современной науки и прежде всего естествознания.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Естественно-научные знания и окружающая среда

 

<

Ухудшение состояния окружающей среды, ведущее к деградации всего живого и представляющее угрозу здоровью человека, — явление не новое, оно прослеживается с древнейших времен и стало особенно очевидно на начальной стадии урбанизации с появлением небольших городов. Численность населения земного шара постоянно увеличивается, продолжается стремительный рост городов — возникают города-гиганты — мегаполисы. Потребление различных материальных ресурсов, товаров и энергии на душу населения непрерывно растет. Рост населения, урбанизация, массовое производство промышленной и сельскохозяйственной продукции — все это неизбежно приводит к активному вторжению человека в окружающую среду. В данной связи в настоящее время как никогда чрезвычайно важна защита окружающей среды. Большинство граждан многих стран вне зависимости от профессиональной деятельности и политических воззрений заявляет о готовности покупать более дорогие, но экологически чистые продукты, платить более высокие подоходные налоги ради оздоровления окружающей среды.

Для выявления источников загрязнения нужны химики-аналитики, работающие вместе с метеорологами, океанографами, вулканологами, климатологами, биологами и гидрологами. Так, если для производства электроэнергии приходится использовать низкосортное топливо, то задача специалистов, и в первую очередь химиков, — разработать катализаторы и освоить новые способы, обеспечивающие полную или хотя бы частичную нейтрализацию вредных выбросов.

Вопрос о допустимой длительности воздействия вредных веществ на живой организм относится к медицине, токсикологии и эпидемиологии. Химики, медики и другие специалисты в результате совместной работы собирают информацию и готовят данные о степени риска, обусловленного наличием, например, свинца в воздухе, хлороформа в питьевой воде, радиоактивного стронция в молоке, бензола в атмосфере производственных помещений и формальдегида в жилых домах и т.п. При этом важно объективно оценить риск и издержки, связанные с наличием опасных веществ. Любое решение, в том числе и политическое, тех или иных вопросов сохранения окружающей среды должно основываться на квалифицированной, объективной и всесторонней естественно-научной экспертизе.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Вредные вещества и реальная опасность

 

Некоторые средства массовой информации, общественные и даже правительственные органы иногда ставят, к сожалению, знак равенства между обнаруженным вредным веществом и реальной его опасностью. Такое отождествление вытекает из простого заблуждения: вещество, обладающее выраженной токсичностью при определенной концентрации, токсично всегда. Можно привести множество примеров вредных веществ, показывающих, что это далеко не так. Один из них — моноксид углерода. Данный обычный компонент атмосферы действительно опасен для здоровья человека только при концентрациях, превышающих 1000 млн долей. Принято считать, что продолжительное воздействие моноксида углерода в концентрациях, превышающих только 10 млн долей, отрицательно сказывается на здоровье человека. Мы живем в окружающей среде, всегда содержащей легко обнаруживаемую концентрацию монооксида углерода — около 1 млн долей, а это означает, что нет необходимости в полном устранении моноксида углерода из атмосферы. Важно знать при этом научно установленную максимальную концентрацию вредных веществ, которая безопасна без применения специальных мер защиты, т.е. нужно определить их предельно допустимую концентрацию. Лишена всякого здравого смысла защита окружающей среды, ориентированная на нулевой риск, означающий достижение абсолютной безопасности при полном уничтожении опасных веществ.

Легко реагирующие соединения, находящиеся в атмосфере, практически невозможно доставить в сохранившемся составе для анализа в лабораторию. В связи с этим возникает необходимость в дистанционном обнаружении и определении химического состава и структуры таких соединений в местах их образования. Многочисленные экспериментальные исследования показывают, что современный метод инфракрасной спектроскопии позволяет анализировать состав воздуха над городом на расстоянии около одного километра. С помощью данного метода удается установить содержание формальдегида, муравьиной и азотной кислот, пероксиацетилнитрата и озона при одновременном их наличии в воздухе в концентрациях, составляющих миллиардные доли. Такая концентрация любых названных веществ слишком мала, чтобы оказать ощутимое вредное воздействие на здорового человека. В то же время она достаточна для заметного влияния на химические процессы в атмосфере. Современные сканирующие лазерные устройства успешно применяются для определения концентрации диоксида серы (сернистого газа), составляющей миллионные доли, в дыме электростанций, работающих на угле. Полупроводниковые лазеры весьма удобны для анализа выхлопных газов автомобилей.

Испытания на животных показали, что только один из 22 структурных изомеров тетрахлордиоксина в тысячу раз токсичнее всех остальных. Данный пример подчеркивает важность аналитических методов, позволяющих не только установить концентрацию загрязнителя, но и идентифицировать его химический состав и структуру.

 

 

 

 

 

 

 

5. Сохранение озонового слоя

 

Содержащийся в стратосфере озон выполняет важную роль естественного фильтра, поглощающего губительное для всего живого коротковолновое ультрафиолетовое излучение Солнца. Стратосфера — слой атмосферы, расположенный над более плотной тропосферой на высоте от 10 до 50 км над уровнем моря. Воздух в стратосфере безоблачной, сухой, холодной области перемешивается очень медленно по вертикали и относительно быстро — по горизонтали. Поэтому опасные вещества, однажды попавшие в стратосферу, остаются в ней на долгие годы и легко распространяются вокруг Земли, и тем самым загрязнение стратосферы приобретает глобальные масштаба.

Концентрация озона сравнительно небольшая. Если собрать озоновый»‘ слой в окружающую земной шар тонкую оболочку при нормальном атмосферном давлении, то толщина ее составит всего около 3 мм. Разрушение озона осуществляется в результате цепной реакции, в которой одна примесная молекула может разрушить много тысяч молекул озона, прежде чем попадет в более плотные слои атмосферы и достигнет поверхности Земли вместе с осадками.

Существуют два основных вида источников оксида азота в стратосфере. Первый из них — естественный обусловливается бактериями: в природе оксиды азота образуются в основном в виде N3О при жизнедеятельности почвенных и морских бактерий. Такое относительно инертное соединение медленно поднимается в атмосфере, где в результате поглощения ультрафиолетового излучения образуются оксиды азота NО и NО2. Второй источник — различного рода газы искусственного происхождения. Во-первых, стратосфера пополняется оксидами азота, содержащимися в отработанных газах различного рода машин и летательных аппаратов, а во-вторых, существенный вклад в пополнение стратосферы оксидами азота вносят ядерные взрывы.

С деятельностью человека связан еще один существенный источник загрязнения стратосферы — галогенпроизводные углерода СFС13 и СF2С12 (хлорфторметаны), широко применяемые в качестве хладагентов и аэрозольных наполнителей. Данные соединения химически инертны, и какие-либо вредные воздействия их на живые организмы пока не обнаружены. Однако вследствие той же инертности они легко поднимаются вверх, достигая стратосферы, где возможен фотолиз под действием ультрафиолетового излучения. Хлорсодержащие продукты фотолиза С1 и СЮ могут породить свой каталитический цикл, разрушающий озон подобно оксидам азота.

Ученые-естествоиспытатели своевременно подготовили необхо-димую и научно обоснованную базу для законодательных актов, ограничивающих применение хлорфторметанов. Для их заменив холодильных камерах, кондиционерах воздуха и т.п. химическая промышленность синтезирует вещества, которые легко разрушаются и не наносят вреда окружающей среде) Последовательное рациональное решение проблемы сохранения озонового слоя— один из характерных примеров научного подхода в анализе реального состояния атмосферы и поиске путей предотвращения потенциальной угрозы окружающей среде без введения необдуманных запретительных мер.

 

 

 

 

 

 

 

6. Кислотные осадки

 

Кислотные осадки — один из ощутимых источников загрязнения окружающей среды. Кислотные соединения — преимущественно производные оксидов серы и азота. Они образуются естественным образом во время грозы, при извержении вулканов, в результате жизнедеятельности бактерий. Но все же основной источник оксидов серы и азота — выбрасываемые газы автомобильного транспорта, теплоэлектростанций, плавильных печей и т.п.

Кислотные осадки выпадают либо в виде дождя и снега (мокрые осадки), либо в виде аэрозолей газообразных кислотных соединений, оседающих на почве, листьях растений и т.д. (сухие осадки). Содержимое осадков обычно возвращается в атмосферу, но в другом химическом составе. Кислотные осадки вне зависимости от их природы могут распространяться на сравнительно большие расстояния от их источника.

Сравнительно высокий уровень кислотных загрязнений дают электростанции, работающие на угле, содержащем серу в большой концентрации. Сера окисляется в газообразный диоксид и в таком виде выбрасывается из дымовых труб. Перемещаясь в атмосфере, диоксид медленно реагирует с водой, образуя серную кислоту. Образовавшийся таким образом серный кислотный осадок может выпасть на почву не только рядом с потребителем угля, но и унестись ветром за сотни километров от него. Один из возможных способов предотвращения выброса таких загрязнений — применение химических газо-очистителей, в которых вредные вещества растворяются и выводятся в осадок или поглощаются. В газовых выбросах электростанций содержатся, кроме того, оксиды азота, наличие которых можно существенно снизить с помощью катализаторов.

Развитие химии атмосферы и окружающей среды, внедрение высокочувствительных приборов для определения примесей в воздухе, изучение кинетики и динамики основных атмосферных реакций и создание новых эффективных методов, позволяющих сократить вредные выбросы, приводящие к кислотным осадкам, — вот те важнейшие задачи, от успешного решения которых зависит сохранение естественного состояния окружающей среды.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7. Парниковый эффект

 

В результате многогранной деятельности человека в атмосфере возрастает содержание многих газов и газообразных примесей. Некоторые из них приводят к нагреванию поверхности Земли, т.е. к возникновению парникового эффекта. Физический смысл такого эффекта достаточно прост. Диоксид углерода и водяной пар пропускают идущий к Земле солнечный свет, и он нагревает поверхность планеты, но эти же газы экранируют длинноволновое тепловое излучение Земли.

Как показывают систематические наблюдения, в последние десятилетия появились признаки общей тенденции — климат на Земле теплеет. Ни одна экологическая проблема так не беспокоит ученых, как усиление парникового эффекта, что ведет к глобальному повышению температуры на планете.

Нагревание атмосферы может привести к ощутимому потеплению и, как следствие, к наводнению от таяния полярных ледников и превращению плодородных почв в пустыню.

Предварительные расчеты показывают, что производственная деятельность человека в ближайшие десятилетия, т.е. при жизни нынешних поколений, может привести к значительным климатическим сдвигам. Для планеты в целом эти изменения будут отрицательными, но для Севера Евразии, а значит, и для России последствия парникового эффекта могут оказаться положительными.

Однако в нынешних оценках глобального экологического состояния нашей планеты еще много спорных моментов. Окончательные выводы делать очень опасно. Так, по некоторым расчетам, к началу следующего столетия средняя температура планеты должна повыситься на 0,5—0,6 градуса, но ведь и естественная климатическая изменчивость может колебаться в пределах плюс-минус один градус. Климатологи до сих пор спорят: считать ли наблюдаемое потепление результатом естественной изменчивости или проявлением усиливающегося парникового эффекта.

Парниковый эффект существует — это бесспорно. Учитывать его, безусловно, надо, но говорить о неизбежности трагедии не следует. Человечество может еще очень многое предпринять и смягчить последствия происходящего.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

8. Сохранение водных ресурсов

 

Водные ресурсы, включающие поверхностные и грунтовые воды, — ценнейшие ресурсы, необходимые для жизнедеятельности всего живого. Они включают в себя соленую воду океанов, морей и пресную воду озер, рек и подземных источников. Гигантское количество воды сосредоточено в ледниках, общий объем которых составляет около 30 млн. м3. Существенная доля водяных паров образуется при естественном испарении поверхностных вод. Чрезвычайно быстрое испарение воды происходит при попадании вулканической лавы в море или океан. При этом образуются громадные облака горячего водяного пара.

Пресная вода в значительной степени подвержена воздействию человека в процессе ее бытового и промышленного потребления. Исследования, проведенные в континентальных районах США, показали, что около 1% водоносных слоев в той или иной степени загрязнены; Данный показатель загрязнения относительно невысок, но если учесть, что приблизительно половина населения США пользуется колодцами как источниками питьевой воды, то становится понятно, что даже такое загрязнение весьма значительно.

Применяемые в течение длительного времени способы захоронения бытовых и промышленных отходов основывались на том, что миграция отходов маловероятна и со временем содержащиеся в них соединения окисляются, гидролизуются или перерабатываются бактериями в безвредные продукты. Однако результаты исследований показали, что некоторые виды отходов слабо разлагаются и способны мигрировать, а часть их перерабатываются бактериями не в безвредные, а в токсичные вещества. Загрязняющие вещества от различных источников могут распространяться в поверхностных слоях земли на большие расстояния от источников загрязнения.

 

Вынужденное захоронение всех видов отходов в грунте требует предварительных и сопутствующих физических, химических и биологических исследований, результаты которых позволят представить реальную картину миграции составляющих отходы соединений и процесс их разложения. Только при таком подходе ненужные и вредные отходы могут нанести минимальный ущерб окружающей среде.

Можно выделить несколько способов сохранения водных ресурсов:

оптимальная комбинация химической и биологической очистки сточных вод;

применение дополнительных средств очистки сточных вод, содержащих особо стойкие вещества;

внедрение процесса озонирования;

окисление загрязняющих веществ при высокой температуре и высоком давлении;

высокотемпературное сжигание отходов и обработка их адсорбентами и ионообменными смолами;

циклическое применение воды при теплоотводе от различных механизмов и агрегатов;

возвращение в производственный цикл ценных веществ, например металлов, вызывающих загрязнение почвы и воды;

создание быстроразлагающихся заменителей пестицидов, широко применяемых как средство борьбы с болезнями и вредителями растений.

Успешное решение проблемы сохранения окружающей среды зависит не только от ученых, специально занимающихся данной проблемой, но во многом и от всех людей, бережно относящихся к природе, в том числе и к водным ресурсам.

 

9. Захоронение радиоактивных отходов

 

Особого внимания требует захоронение радиоактивных отходов, количество которых постоянно растет. В настоящее время принято считать, что оптимальным является способ захоронения радиоактивных отходов не в океанах или околоземном пространстве, а в могильниках под землей. Такой способ требует тщательного изучения геохимии окружающего могильник грунта, чтобы иметь достоверное представление о возможной миграции радионуклидов и последствиях воздействия радиации и тепловыделения на изменение химического состава грунта и грунтовых вод.

Связывание радионуклидов в соединения с очень низкой растворимостью в воде, адсорбция их на твердых поверхностях, а также другие способы вместе с надлежащим выбором места захоронения способствуют повышению надежности захоронения. При захоронении радиоактивных отходов весьма полезны геологические сведения, в том числе и результаты наблюдения за естественным реактором, обнаруженным в 1972 г. при извлечении урановых руд из шахты Окло в Африке. Активные элементы данного природного реактора, как предполагается, образовались примерно за 1,8 млрд лет до начала запуска первого сконструированного человеком реактора. Работа природного реактора стала возможной благодаря высокому содержанию в руде изотопа урана-235, которое в начале его действия составляло около 3%, а сейчас не более 0,7%. Наблюдения показывают, что продукты деления урана и трансурановых элементов в течение длительного времени не подвергались существенной миграции, что свидетельствует о реальной возможности долговременного и надежного захоронения радиоактивных отходов в геологических формациях.

Литература

 

Карпенков С.К. Концепции современного естествознания. –М.: Высшая школа, 2001.

<

Комментирование закрыто.

MAXCACHE: 0.94MB/0.00113 sec

WordPress: 23.43MB | MySQL:118 | 1,679sec