Глобальные экологические проблемы

Министерство образования и науки Российской Федерации

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

 

В. А.  Дьяченко   Ю. Г. Сергеев  А. Ю. Колесникова

 

ЭКОЛОГИЯ

 

Учебное пособие

 

Санкт-Петербург

Издательство Политехнического университета

2012

 

УДК 502.1:628.5 (075.8)

ББК 20.18:30.69я73

Д 937       

 

Р е ц е н з е н ты:

д. г. н.,  к. б. н., проф. кафедры «Охрана природных вод» РГГМУ  М.Б. Шилин

: д. х. н., проф. кафедры «Общей и неорганической химии» СПбГПУ Л.Н. Блинов

Д ь я ч е н к о  В. А.,  С е р г е е в Ю. Г.,  К о л е с н и к о в а А. Ю. Экология, учеб. пос..  – СПб. : Изд-во политехн. ун-та, 2012. - 220 с.

 

Учебное пособие содержит материалы по базовой дисциплине «Экология» математического и естественнонаучного цикла образовательных стандартов ФГОС по направлениям подготовки бакалавров 150700 –  Машиностроение, 151000 – Технологические машины и оборудование, 151600 – Прикладная механика, 190100 – Наземные транспортно-технологические комплексы, 221400 – Управление качеством, 150100.– Материаловедение и технология материалов.

Рассмотрены глобальные экологические проблемы; состав, строение и функции оболочек планеты; влияние антропогенного загрязнения на природу и человека; экологический мониторинг; экологические проблемы природопользования (земельные, водные и лесные ресурсы); защита атмосферы. Достаточно подробно рассматриваются экологические проблемы традиционных технологий производства энергии и пути их решения, а также альтернативные способы получения энергии.

Приведена классификация отходов и показано их происхождение, описаны эффективные и экологически малорисковые методы, технические средства и технологии защиты окружающей среды. Особое внимание уделяется малоотходным и ресурсосберегающим технологиям в промышленности, в том числе в маниностроении. Весьма важным для учащихся является понимание значимости оценки риска технологий и экологической экспертизы реализованных и новых проектов, базирующейся на экологическом законодательстве, нормативах и положениях о государственном и межгосударственном экологическом регулировании, основанных на концепции устойчивого развития.

Предназначено для студентов, изучающих дисциплину «Экология».

Табл. 2 Илл. 31 Библиогр.: 13 назв.      

 

Печатается по решению редакционно-издательского совета

Санкт-Петербургского государственного политехнического университета.

           

                                                   Ó Дьяченко В. А., Сергеев Ю. Г., Колесникова А. Ю., 2012

                                                  Ó Санкт-Петербургский государственный

                                                        политехнический университет, 2012    

Введение

Глобальный масштаб и общемировая значимость экологических проблем всё в большей мере определяют политико-экологическую активность почти всех государств мирового сообщества. Одним из важнейших компонентов этой политики является подготовка специалистов для промышленности, обладающих знаниями о биосфере, основных закономерностях её развития, о влиянии хозяйственной деятельности человека на биосферу, изменение климата и здоровье человека.

Разумеется, это в полной мере касается и будущих специалистов-механиков, на которых ляжет большая доля ответственности за дальнейшую эволюцию техногенеза, разработку таких технологий, оборудования и природно-технических систем, которые будут способны обеспечить как поступательное развитие цивилизации, так и удовлетворение потребностей современного общества без ущерба будущим поколениям.

Специалист ХХI века должен обладать экологическим мышлением, направленным на сохранение природной среды, на всестороннее ресурсосбережение как основную стратегию рационального природопользования. Он должен хорошо знать источники загрязнения природной среды, методы и средства их контроля и предотвращения, владеть профессиональными знаниями и умениями в области создания экологически приемлемых новых прогрессивных технологий и оборудования.

Термин  «Экология»  («эко» – дом,  «логия» – наука) введён биологом Э. Геккелем ещё в 1886 г. Первоначально он означал биологическую науку об отношениях организмов к окружающей внешней среде, находящейся в непосредственном контакте с рассматриваемой системой и влияющей на живые организмы. Экология – наука развивающаяся, в неё  вкладывают в настоящее время весьма широкое содержание: «это наука о строении и функциях природы» (Ю. Одум, 1963 г.) и «она становится теоретической основой поведения человека в природе» (С. С. Шварц, 1975 г.). «Человек – его образ жизни, его судьба – также неотделим от окружающей среды и составляет её неотъемлемую часть» (Н. Н. Моисеев, 1988 г.). «Экология - это некое синтетическое научное направление или совокупность научных направлений, изучающих проблему  взаимоотношения  человеческого  общества  со  средой  обитания» (А. А. Горелов, 1998 г.).

Из приведённых выше определений видно, как постепенно расширялось понятие экологии. Н.Ф.Раймерс (1994 г.) выделяет 62 (!) аспекта «экологии», претендующих на статус самостоятельных научных направлений. В настоящее время экология – «более чем научная дисциплина и представляет собой проблемно ориентированную систему научных знаний» (В.И. Данилов – Даниэльян, 2000 г.). Приведём ещё одно определение: экология – это наука о взаимоотношении и взаимосвязи живых организмов между собой и средой обитания, о кругообороте веществ и потоках энергии.

Особое  значение экология как наука приобрела в связи с интенсивным потребительским воздействием человека на окружающую среду, когда для выживания человечества необходимо глубокое понимание механизма существования и взаимодействия экосистем. Поэтому важнейшей задачей данной науки является поиск технологий защиты окружающей среды, позволяющих решать задачи рационального использования природных ресурсов, их воспроизводство в естественных условиях и поддержание качества природной среды. Для охраны и защиты окружающей среды необходимо изучить влияние на среду обитания живых существ, всех форм эксплуатации природы человеком; определить круг организационных и технических мероприятий, направленных на защиту природы от воздействия промышленных и урбанистическим систем.

Пособие «Экология» адресовано в первую очередь студентам машиностроительных направлений подготовки. В его первой части рассматриваются глобальные экологические проблемы; состав, строение и функции оболочек планеты; влияние антропогенного загрязнения на природу и человека; экологический мониторинг; экологические проблемы природопользования (земельные, водные и лесные ресурсы); защита атмосферы, воды, леса и земли. Достаточно подробно рассматриваются экологические проблемы традиционных технологий производства энергии и пути их решения, а также альтернативные способы получения энергии.

Вторая часть посвящена как бытовым, так и промышленным отходам, показаны эффективные и экологически безопасные методы, технические средства и технологии защиты окружающей среды. Особое внимание уделяется малоотходным и ресурсосберегающим технологиям промышленного производства, в том числе в машиностроении. Весьма важным для учащегося и специалиста является понимание значимости оценка риска технологий и экологической экспертиза реализованных и новых проектов, деятельности предприятий, базирующейся на экологическом законодательстве, нормативах и положениях о государственном и межгосударственном экологическом регулировании, основанных на концепции устойчивого развития.

Основной целью дисциплины является формирование экологического мышления и экологической этики молодого специалиста, ответственного за будущее нашей Планеты и человечества.

Глобальные экологические проблемы

 окружающей среды

 

Наша планета Земля, по словам космонавтов, выглядит из космоса маленькой, хрупкой и беззащитной. Только «тонкая плёнка», называемая биосферой, населена живыми организмами, которые взаимодействуют с воздухом, водой и земной корой и являются самовоспроизводящимися химическими фабриками. Биогенные элементы биосферы находятся в непрерывном замкнутом кругообороте, без накопления вредных отходов.

Длительное время хозяйственная деятельность человека по своим масштабам уступала естественным процессам в биосфере. Однако со второй половины ХХ века ситуация изменилась в сторону нарушения равновесной системы геобиохимических реакций кругооборота веществ в природе. Природные компенсаторные процессы уже не справляются с масштабами этого вмешательства.

Итогом нарушения этого хрупкого равновесия является наступление экологического кризиса (перенаселение, истощение природных ресурсов, загрязнение окружающей среды, болезни). Таким образом, перед человечеством встают новые научно-технические, социально-экономические задачи, в том числе и экологические проблемы. Перечислим наиболее значимые глобальные экологические проблемы на основе опроса экспертов во Франции в 1994 – 1995 г. г. в порядке возрастания:

1. Парниковый эффект. Увеличение в атмосфере содержания углекислого газа и хлорфторсодержащих углеводородов, задерживающих инфракрасное излучение, приводит к повышению среднегодовой температуры, что в скором времени может привести к глобальным климатическим изменениям, в частности, к повышению уровня Мирового океана.

2. Стратосферный озон. Располагается на высоте от 17 до 50 км и участвует в фильтрации солнечных лучей. Появление «озоновых дыр» увеличивает ультрафиолетовое излучение на Землю, оказывая патогенное влияние на растительный, животный мир и человека.

3. Опустынивание и вырубка лесов. Эти явления происходят под действием климатических и человеческих факторов. В результате уменьшается продуктивность экологической системы, нарушается климатическое равновесие, сокращаются природные ресурсы, возникает угроза жизни индивидуума и даже популяции.

4. Биоразнообразие и генетические ресурсы. Биоразнообразие – это разнообразие животного мира, растений на всех уровнях: генетическом, видовом и экологическом. Это фундаментальное свойство живого мира, которое позволяет ему развиваться и адаптироваться к изменениям окружающей среды. Охота, чрезмерный сбор растений, вырубка лесов приводят к исчезновению видов и запасов, а это в свою очередь подрывает базу питания и способ жизни населения. Селекция и скрещивание повышает продуктивность сельского хозяйства и животноводства, но ведёт к генетической эрозии, появлению новых форм и видов болезней. По опубликованным данным в год исчезает от 5 до 150 тыс. видов примерно из 20 млн.  зарегистрированных видов.

5. Биотехнологический риск. Биотехнология - это использование живых организмов или их клеток, молекул для производства продукции, создания новых технологических процессов, использование их в медицине для получения новых лекарств и т. п. Но биотехнология вместе с надеждами породила и страхи, связанные с биологическим риском, так как работа с живой материей, наделённой биологической активностью и способной к репродуцированию, может создавать новые организмы с неизвестными признаками и свойствами.

6. Загрязнение океанов. Оно касается в первую очередь прибрежных районов и происходит за счёт химических (тяжёлые металлы, удобрения, пестициды, углеводороды и др.), биологических (различные формы патогенных бактерий) и физических (перегрев вод вблизи ТЭС и АЭС) факторов. Особенно опасными являются химические загрязнения, которые в дальнейшем концентрируются в пищевой цепи и в конечном итоге попадают к человеку.

7. Радиоактивное загрязнение. Более 2/3 полной радиоактивности, получаемой человеком, является естественным облучением. Всё живое подвергается как внешнему, так и внутреннему облучению. Внутреннее облучение связано с попаданием через пищу и дыхательные пути радионуклидов, которые, накапливаясь в организме, могут привести к различным изменениям его органов, вплоть до летального исхода. Другим источником облучения являются медицинские радиоактивные препараты, используемые при диагностике. Наиболее опасными для здоровья являются радиоактивные отходы от АЭС, создающие проблему при выборе места и технологии их захоронения.

8. Загрязнение воздуха. Вызвано сгоранием газа, нефти, угля, дерева, различных отходов и топлива в топках и транспортных средствах. Загрязнители, попадая через дыхательные пути, вызывают различные расстройства организма, вплоть до мутагенного и канцерогенного воздействия. Кроме того, окислы азота и серы, соединяясь с влагой атмосферы, выпадают в виде «кислотных дождей», вызывая деградацию флоры и фауны. В крупных городах распространено такое явление, как фотохимический туман, смог. Наибольшая загрязнённость приходится на индустриальные районы: около 90 % выбросов вредных веществ приходится на 10 % территории суши.

9. Загрязнение континентальных вод. Вода, выпадающая  в виде осадков, загрязняется вредными продуктами деятельности человека (тяжёлыми металлами, фосфатами, нитратами, органическими веществами, патогенными бактериями и т.п.), фильтруется через почву, загрязняя подземные воды, стекает в реки и озёра. Затем обратно возвращается к человеку при её потреблении, воздействуя на его организм. Загрязнённые органикой воды рек и озёр вызывают бурный рост фитопланктона - вода мутнеет, в ней уменьшается содержание кислорода, и водная фауна обедняется живыми организмами (процесс эвтрофикации).

10. Крупные промышленные аварии. Аварии и катастрофы приводят к серьёзным последствиям в обществе и окружающей среде. Масштабы некоторых аварий и катастроф имеют глобальный характер и часто растянуты во времени. Они приводят не только к большому экономическому ущербу, но и дестабилизации общества, социальным и политическим последствиям.

11. Хозяйственные и промышленные отходы. С каждым годом увеличивается количество отходов, добавляясь к старым и нарушая природную среду. Для переработки отходов применяют разные технологии. Так при сжигании окружающая  среда загрязняется тяжёлыми металлами и их соединениями, окислами азота и вредными органическими соединениями. От больничных отходов возможен микробиологический риск заражения - всё это создает опасность для человека и разрушает экосистемы.

12. Урбанизация. В городах проживает 50 % населения планеты, за последние 50 лет численность городских жителей увеличилась в 3,5 раза. На сегодняшний день становится ясным, что особенно в мегаполисах наиболее остро проявляются экологические проблемы. Загрязнение воздуха, земли, подземных вод внутри и вокруг городов, шум от транспорта - всё это приводит к возникновению стрессов, понижению стойкости организма и естественно ведёт к заболеваниям, ухудшается общее качество жизни.

13. Шум. Из простой неприятности постепенно становится проблемой общего здоровья человека. Длительное или интенсивное воздействие (более 85 дБ) шума вызывает снижение слуха или его потерю. Воздействие шума приводит к расстройству сна, психосоматическим болезням, к сердечнососудистым заболеваниям.

К перечисленным выше проблемам к настоящему времени следует добавить проблемы транспорта и энергетики, загрязнение космоса, рост народонаселения, исчерпание природных ресурсов и др.

Экологические проблемы носят междисциплинарный характер. Обобщённым параметром и индикатором уровня экономического развития является состояние здоровья, средняя продолжительность жизни, состояние окружающей среды, особенно здоровье детей, и качество жизни.

Сегодня глобальный масштаб значимости экологических проблем определяет активную экологическую политику и законодательство практически всех государств мирового сообщества. В понимании важности решения этих проблем наше государство должно многому учиться у развитых европейских стран и США. В Российской Федерации в неблагоприятных условиях живёт около 75 млн. городских жителей, хотя в 1991 г. был принят «Закон об охране окружающей природной среды».

Назовём некоторые факторы, оказывающие влияние на ухудшение экологической ситуации в России:

1) Макроэкономическая политика, приводящая к экстенсивному использованию природных ресурсов (природно-ресурсный характер экспорта).

2) Инвестиционная политика, ориентированная на развитие ресурсоэксплуатируемых секторов экономики  для получения значительной и быстрой прибыли от переэксплуатации месторождений и продажи нефти, газа, руды и леса.

3) Неопределённость прав собственника на природные ресурсы.

4) Недоучёт косвенного эффекта от охраны окружающей среды (экономического и социального) и глобальных выгод.

5) Инфляция и нестабильность экономики препятствуют реализации долгосрочных проектов, к числу которых относится большинство экологических.

6) Неэффективная секториальная политика ТЭК, лесного и сельского хозяйства.

7) Несовершенное природоохранное законодательство.

2. оболочки планеты

 

Атмосфера

Атмосфера – газообразная оболочка Земли, состоящая из смеси различных газов, основные из них: азот (78 %), кислород (21 %), аргон (0,93 %) и углекислый газ (0,033 %). Кроме атмосферного воздуха, в состав атмосферы также входят газы, растворённые в поверхностных и подземных водах; газовая составляющая почв, а также газы, выделяющиеся из горных массивов. Атмосфера является средой обитания живых организмов и простирается на высоту до 2000 км. Масса её составляет 5,14×10¹⁵ т, объём - 13,2×10²⁰ м³.

Наиболее плотный слой воздуха, прилегающий к земной поверхности,  называется тропосферой и имеет толщину в среднем 10...12 км. Именно в тропосфере в основном формируется погода, образуются мощные воздушные течения, облака и все виды осадков. Осадки  по своей сути являются очистителями воздуха от примесей.

Выше, до 50…55 км, расположена стратосфера. Температура в ней растёт от -56 до -2 °С к высоте 50 км. Под воздействием космического излучения и коротковолновой части ультрафиолетового излучения Солнца молекулы газов в стратосфере ионизируются, в результате образуется озон. Озоновый слой, простирающийся до высоты 60 км, оберегает и сохраняет всё живое на Земле от ультрафиолетовых лучей и предопределяет тепловой режим, а также динамику атмосферы. Под действием хлорфторсодержащих веществ и метана происходит разрушение озонового слоя.

Стратопауза отделяет стратосферу от лежащей выше мезосферы, в которой количество озона уменьшается, а температура на высоте примерно 80…85 км над уровнем моря составляет - 92 °С. Резкий перепад температур между стратосферой и мезосферой объясняется присутствием озона в стратосфере.

Термосфера (ионосфера) простирается до 800 км, где наблюдается повышение температуры до 1000 °С и более. Под действием ультрафиолетового излучения Солнца газы атмосферы находятся в ионизированном состоянии, по причине этого и происходит свечение газов, т.е. полярное сияние. Термосфера обладает способностью многократно отражать радиоволны, что обеспечивает дальнюю радиосвязь на Земле.

Экзосфера располагается на высотах от 800 до 2000…3000 км. В этом диапазоне температура растёт до 2000 °С. Скорость движения газов в этом слое приближается к критическому значению 11,2 км/с. В составе преобладают атомы водорода и гелия, которые формируют вокруг нашей планеты так называемую корону, простирающуюся на высоту до 20 тыс.  км.

Чем больше высота подъёма над земной поверхностью, тем меньше атмосферное давление. Вследствие большой сжимаемости атмосферы её давление уменьшается от среднего значения 760 мм рт. ст. (101325 Па) на уровне моря до 2,3×10^{-3 мм рт. ст}. (0,305 Па) на высоте 100 км .

В атмосфере наблюдаются различные оптические явления: радуга, гало, ложное солнце и дуги, корона, миражи, огни святого Эльма, зелёные и сумрачные лучи и др.

Основное предназначение и функции атмосферы:

1) пространство, в котором происходят химические и фотохимические взаимодействия, обеспечивая кругооборот важнейших биогенных компонентов (C, N, P, S, H, O и др.) и воды;

2) среда для распространения звука;

3) регулирование теплового режима планеты, тем самым и её климата, а через него влияние на режим рек, почвенно-растительный комплекс и на формирование ландшафта и рельефа Земли;

4) обеспечение производственной деятельности человека;

5) ресурсная - источник кислородного дыхания и получения промышленного газового сырья (азота, кислорода, аргона и других благородных газов);

6) защитная - защита от солнечной радиации, метеоритных частиц и космического мусора.

Гидросфера

Гидросфера – это прерывистая  водная оболочка Земли, которая включает Мировой океан - 96,5 %, подземные воды - 1,7 %, ледники и постоянный снежный покров – 1,74 %, озёра – 0,013 %, почвенную влагу – 0,001 %, пары атмосферы - 0,001 %, реки – 0,0002 % и биологическую воду - 0,0001 %. Биологическая вода - это важнейшая составляющая живых существ,  на долю которой приходится в среднем 80 % общей массы живого существа. Воде принадлежит важнейшая роль в истории развития нашей планеты, т. к. с ней связано зарождение и развитие жизни, а следовательно, и всей биосферы.

Вода представляет собой соединение водорода  с кислородом (H₂O), в которой в том или ином виде находятся большинство химических элементов. На восемь элементов - кислород (85,7 %), водород (10,8 %), хлор (1,93 %), натрий (1,03 %), магний (0,13 %), сера (0,04 %), кальций (0,039 %) - приходится 99,78 % массы воды Мирового океана. Остальные элементы в сумме составляют менее 1 % от массы гидросферы.

Общие запасы воды оцениваются в 1,386 млрд.  км³. Огромное количество (около 15 млрд. км³) воды сосредоточено в недрах мантии Земли, а также находится в связанном состоянии в различных минералах и горных породах земной коры. Вода - единственный на нашей планете «минерал», который встречается в естественных условиях в трёх агрегатных состояниях: газообразном, жидком и твёрдом и входит в состав химических соединений

Основные функции гидросферы:

1) Ресурсная. Вода – это самый распространенный на Земле «минерал», потребность в ней человека и других живых организмов очень велика. Она используется для питья, а также в производственной и хозяйственной деятельности человека. Водная среда является источником продовольствия (рыба, ракообразные, моллюски и другие морепродукты), добычи подводных залежей руд и извлечения растворённых минеральных солей, источником получения водорода и кислорода, выработки электроэнергии и т. п.

2) Средообразующая. Для многих живых организмов вода служит средой обитания, в которой проходят биофотохимические реакции. Она обеспечивает обмен веществ, участвуя в их кругообороте, в том числе между живыми организмами и окружающей средой. Жизнедеятельность и распространение организмов в воде зависит от концентрации ионов водорода (рН). Все обитатели воды – гидробионты приспособились к определенному уровню рН: одни предпочитают кислую (рН от 1 до 6), другие – щелочную (рН от 8 до 14), третьи – нейтральную (рН около 7) среду.

Велика роль гидросферы в создании ландшафта и рельефа Земли и формировании относительно неизменного климата на планете. С одной стороны она выступает как аккумулятор тепла, обеспечивая постоянство средней планетарной температуры атмосферы, а с другой- за счёт фитопланктона продуцирует почти половину всего кислорода атмосферы.

3) Транспортная. Большой процент пассажиро - и грузоперевозок приходиться на речной и морской транспорт (транспортирование нефти, газа, руды, сплав древесины и т. д.).

Литосфера

Литосфера – верхняя твёрдая оболочка Земли состоит из осадочных, изверженных и метаморфических пород с нечёткой нижней границей. Простирается на глубину от 5 до 100 км под океанами и от 25 до 200 км на континентах. Масса литосферы составляет 6×10²¹ тонн.

Верхняя часть литосферы образует земную кору, толщина которой на континентах доходит до 50…75 км (под дном океанов - 5...10 км), а нижняя - верхнюю часть мантии Земли. В границах литосферы происходили и происходят грозные геофизические процессы, иногда приводящие к глобальным экологическим катастрофам (землетрясения, цунами, сели, обвалы и др.).

Земная кора состоит из более 3 тыс.  минералов, в состав которых входят в основном лёгкие элементы до железа включительно, остальные  в сумме составляют лишь доли процента её общей массы. Приведём данные о содержании восьми основных элементов в земной коре (%): кислород - 46,8; кремний- 27,8; алюминий - 8,7; железо - 5,1; кальций - 3,6; натрий - 2,6; калий - 2,6; магний - 2,1 и прочие - 0,7.

Важную роль играет  верхний слой земной коры - почва, создающая для роста и развития растений благоприятные условия. Она включает в себя твёрдые, жидкие и газообразные компоненты и представляет продукт физического, химического и биологического преобразования различных пород, т. е. сложного взаимодействия климата, растений, животных и микроорганизмов.

Установлены четыре градации состава почвы: песок, супесь, суглинок и глина, от которой зависят её водопроницаемость, способность удерживать влагу, проникновение в неё корней растений, насыщение воздухом и др. Химические свойства почвы определяются содержанием минеральных веществ, которые находятся в ней в виде растворённых ионов и характеризуются водородным показателем (рН). Таким образом, состав и химические свойства почвы определяют её плодородие.

Основные функции литосферы:

1) Ресурсная - это определяющая роль минеральных, органических и органоминеральных ресурсов и геологического пространства литосферы для жизни и деятельности биоты, содержащая в своих слоях водные и иные запасы полезных ископаемых.

2) Геодинамическая, отражающая свойства литосферы влиять на состояние биоты, безопасность и комфортность проживания человека через природные и антропогенные процессы и явления.

3) Геофизикохимическая, отражающая свойства геофизикохимических полей (неоднородностей) литосферы природного и техногенного происхождения влиять на состояние биоты в целом, включая человека. Она формирует ландшафт Земли и предохраняет его от её внутреннего тепла.

 

Биосфера

Биосфера – пространство на земном шаре, в котором распространены живые существа и организмы. Это гигантская экологическая система, в которой человек выступает и как её частица, и как её преобразователь.

Она охватывает верхнюю часть литосферы на глубину до 100 м, нижнюю часть атмосферы на высоту до 15…20 км и всю гидросферу вплоть до глубины Марианской впадины (11 км). Количество видов живых организмов на земле составляет: 1,5 млн. видов животных; 0,5 млн. видов растений;        10 млн. видов микроорганизмов. «Сухая» масса биосферы составляет 2×10¹² тонн, из них 1×10⁸ тонн приходится на людей.

Реальное положение нижней границы биосферы не установлено, она имеет нечёткий, расплывчатый характер, однако с подземными водами микроорганизмы достигают и больших глубин – порядка 2...3 км. Состав экосистемы биосферы представлен абиотическими компонентами неживой природы и биотическими компонентами живой природы.

Абиотические компоненты включают:

- неорганические вещества и химические элементы, участвующие в обмене между живой и неживой материей  (вода, кислород, кальций, магний, железо, азот, фосфор и т.д.);

  - органические вещества, связывающие абиотическую и биотическую части экосистем (углеводы, жиры, аминокислоты, белки);

  - воздушную, водную или твёрдую среду обитания;

 - климатические факторы (энергия солнца, осадки, ветер).

Биотические компоненты образуют структуру биоты, состоящую из четырех функциональных трофических уровней (категорий): продуценты, консументы, детритофаги и редуценты.

Продуценты (producens - создающий, производящий) - создатели пер-вичной биологической продукции, синтезирующие органические вещества из неорганических соединений. Главная роль в фотосинтезе органических ве-ществ принадлежит зелёным растительным организмам, которые используют в качестве источника энергии солнечный свет, а в качестве питательного материала - неорганические вещества, в основном углекислый газ и воду, производя углеводы (СН₂О)_n и кислород, например:

6СО₂ + 6Н₂О « С₆Н₁₂О₆(глюкоза) + 6O₂.

При фотосинтезе энергия солнечного света аккумулируется в виде слож-ных органических соединений, не только углеводов, но и белков, жиров и ор-ганических кислот. Благодаря процессу фотосинтеза на Земле ежегодно обра-зуется 150 млрд. т органического вещества, усваивается 300 млрд. т углеки-слого газа (СО₂) и выделяется около 200 млрд. т свободного кислорода.

Консументы (consume - потреблять) осуществляют процесс разложения органических веществ - это организмы от бактерий (фитофагов) до хищников и китов, поедающие продуценты и использующие органические вещества в качестве питательного материала и источника энергии. Они подразделяются на консументы первого порядка  (растительноядные) и второго порядка (пло-тоядные).

Детритофаги (пожиратели) питаются детритом  (мёртвые раститель-ные и животные остатки, фекалии). К ним относятся грифы, раки, термиты, муравьи, жуки, черви и др.

Редуценты (redus - возвращающий) – организмы (грибы, бактерии), ко-торые превращают органические остатки в неорганические вещества (углекислый газ, воду, метан и др.) в результате разложения и гниения, осуществляя их минерализацию. Они возвращают вещества в круговорот, превращая их в формы, доступные для продуцентов. Без редуцентов в природе накапливались бы груды органических остатков и иссякли бы запасы минеральных веществ.

Продуценты, консументы и детритофаги являются разными уровнями общей схемы пищевой цепи. Происходящие в живых организмах процессы синтеза сложных соединений и распада молекул с высвобождением энергии получили название метаболизма. Благодаря обмену веществ и энергии обеспечивается рост, размножение, движение и другие функции организма.

Факторами, обеспечивающими устойчивость биосферы, являются:

- использование внешних источников тепла, не вызывающих загрязнения окружающей среды;

  - использование веществ в форме кругооборота (геобиохимические циклы) без накопления вредных веществ;

 - многообразие видов и биологических сообществ, находящихся в равновесии на всех уровнях (генетическом, видовом, экологическом) и позволяющих биосфере развиваться и адаптироваться к изменениям окружающей среды.

Основные функции биосферы:

1) Энергетическая. Осуществляется прежде всего растениями, которые в процессе фотосинтеза аккумулируют солнечную энергию в виде разнообразных органических соединений («солнечные консервы»). Они в свою очередь являются источником химической энергии биосферы  и  в значительной мере - земной коры. Так образовались залежи угля, нефти, торфа, сланца. Растения - главный источник пищи и жизненной энергии для животных и человека.

2) Деструктивная. Состоит в минерализации био - и небиогенных органических веществ и использовании образовавшихся веществ в начальном звене их биохимического кругооборота.

3) Концентрационная. Представляет собой избирательное извлечение и накопление живыми организмами в ходе жизнедеятельности биогенных элементов из окружающей среды, обуславливая большую разницу в составе живого и неорганического вещества планеты. Например, морские организмы содержат  Ba, P, S примерно в 10 раз, Fe, Ag, Br - в 100 раз, Si и Pb - в 1000 раз, Cu - в 10000 раз, Zn и Mn - в 100 000 раз больше, чем их находится в морской воде.

4) Транспортная. Характеризует перенос вещества против силы тяжести и в горизонтальном направлении.

5) Средообразующая. Состоит в преобразовании физико-химических па-раметров  среды, как результата совместного действия выше рассмотренных функций.

 

Техносфера

Техносфера – новая рукотворная оболочка Земли, мир машин и техниче-ских систем. Её появление и развитие создало реальную угрозу существования биосферы. Техносфера должна обеспечивать комфортные условия жизни человека на земле, реализацию его различных потребностей. Однако  активное развитие техносферы в ХХ веке, несовершенство используемых человеком технологий, привело к крупномасштабному, местами катастрофическому, уровню загрязнения окружающей среды. Угрожающих размеров достигло к ХХI веку даже загрязнение освоенного человеком космического пространства.

Превращение продуктов природы в общественно полезную продукцию представляет собой открытую на входе систему, построенную в соответствии с принципом одноразового использования природных ресурсов. С каждым новым циклом воспроизводства данной продукции в него вовлекаются новые природные ресурсы. На выходе человек выбрасывает на свалки подавляющую часть предметов потребления, утративших свои потребительские свойства в результате физического или морального износа. Такой тип производства может существовать достаточно продолжительное время лишь в малых объёмах. С ростом производства оно рано или поздно приходит в противоречие с общим принципом, на котором строится жизнь - принципом рециклирования.

По оценкам масса техносферы составляет 20 Гт. Техносфера разделяется на действующую и бездействующую. К первой группе относятся сооружения, орудия производства, предметы потребления. Ко второй группе - скопления пустой породы и отработанных руд, перемещённые грунты, производственные отходы, оставленные сооружения и развалины, культурные слои под землёй и на земле.