Характеристики среды обитания

Среда обитания или окружающая среда ОС — это система взаимосвязанных природных и антропогенных объектов и явлений, в которых протекает труд, быт и отдых людей. Она характеризуется совокупностью физических, химических и биологических факторов, способных при определенных условиях оказывать прямое или косвенное, немедленное или отдаленное воздействие на деятельность и здоровье человека. ОС является неотъемлемой составной частью биосферы.

Биосфера — это область распространения жизни на Земле. Она включает населенную организмами верхнюю часть земной коры (литосферы), воды рек, озер, водохранилищ, морей, океанов (гидросферу) и нижнюю часть атмосферы (тропосферу). По определению Вернадского “пределы биосферы обусловлены прежде всего полем существования жизни”. По современным представлениям это поле ограничено в вертикальном пределе высотой — 6...7 км (хлорофилоносные растения). Нижний предел ограничен дном океана (около 11 км) и изотермой 100°С в литосфере (около 3...4 км).

Энергетически биосфера незамкнута — в ней идет поглощение теплоты извне и ее использование в изотермических условиях. Односторонний приток энергии к биосфере — это фундаментальный закон экологии. Другой закон констатирует наличие материального обмена в среде. Различные виды организмов поглощают вещества, необходимые для их роста, поддержания жизни и воспроизводства, а также вырабатывают и выбрасывают в среду органические продукты. Они разлагаются, растворяются в воде, попадают в почву, атмосферу и т.п. Различают три основных типа биогеохимических круговоротов:

· круговорот воды;

· круговорот элементов преимущественно в газообразной фазе;

· круговорот элементов преимущественно в осадочной фазе.

На интенсивность и протекание энергетического и материального обмена влияют различные факторы. Более 30% солнечной энергии отражается верхними слоями атмосферы в космическое пространство, еще 8% — пылью, взвешенной в атмосфере. Более 10% поглощается водяным паром, озоном и другими многоатомными газами и 52% энергии достигает Земли. Из них:

· 10% составляют потери на отражение;

· 50% расходуется на испарение воды;

· 40% улавливается живыми организмами.

Только около 1% солнечной энергии улавливается растениями и превращается в живое вещество биосферы, которое является пищей для всех биосистем. Таким образом, состояние биосферы и процессы материально-энергетического обмена чувствительны к антропогенным воздействиям:

· приток солнечной энергии к биосистемам и механизм фотосинтеза существенно зависят от чистоты атмосферы (наличия механических и химических примесей, пылей и газов);

· круговороты химических элементов и веществ подвержены воздействию на всех стадиях преобразования.

98% массы живого вещества состоит из кислорода О (70%), углерода С (18%), водорода Н (10%).Большая часть О и Н входит в состав воды. 10 других элементов вместе составляют 1,5% (азот N, натрий Nа, магний Mg, кремний Si, фосфор Р, сера S, калий К, кальций Са, железо Fe, хлор Cl). Среди них выделяются так называемые “лимитирующие элементы”. При их недостатке или отсутствии ограничивается или прекращается рост живого вещества. Этот эффект подчиняется закону или принципу минимума Ю. Либиха— выносливость организма определяется самым слабым звеном в цепи его экологический потребностей, т.е. жизненные возможности лимитируют экологические факторы, количество и качество которых близки к необходимому организму или экосистеме минимуму; дальнейшее их снижение ведет к гибели организма или деструкции экосистемы.

Таким образом, в соответствии с принципом минимума Либиха скорость роста живого вещества определяется не всеми элементами, а только тем из них, который находится в наибольшем относительном дефиците, т.е. в экологическом минимуме. В наибольшей степени к лимитирующим элементам относится фосфорР.

Круговорот фосфора относится к осадочным круговоротам. Содержание Р в земной коре не превышает 1%. Основными источниками неорганического Р являются изверженные или осадочные породы.

Круговорот Р в природе несовершенен. На суше он протекает при минимуме потерь. Громадные запасы фосфора, накопившиеся за прошлые геологические

Рис.2. Круговорот фосфора на суше

эпохи, содержат горные осадочные породы; в процессе разрушения и выщелачивания эти породы отдают фосфаты наземным экосистемам. Биоредуценты минерализуют органические соединения фосфора из отмерших организмов в фосфаты, которые через корневую систему вновь потребляют растения.

Существенные потери фосфора происходят в водоемах. Значительные количества фосфатов оказываются вовлеченными в круговорот воды, выщелачиваются и попадают в моря. Здесь они обогащают соленые воды, питают фитопланктон и связанные с ним пищевые цепи; затем вместе с отмершими остатками фосфаты погружаются в океанические глубины. Часть их, отлагающаяся в пределах досягаемости морских экосистем после окисления, используется ими, но вследствие недостатка кислорода (из-за небольшой скорости его диффузии) процесс разложения замедлен и бо́льшая часть минерализованного фосфора теряется в глубинных отложениях в виде нерастворимых соединений. Частичный возврат фосфатов на землю возможен и с помощью морских птиц (имеется в виду гуано, огромные залежи которого на побережье Перу указывают на то, что некогда морские птицы играли большую роль в его накоплении, чем теперь) и благодаря рыболовству (рыбу используют в качестве удобрения под посевы риса). Экономическая деятельность человека приводит к еще бо́льшему замедлению этого круговорота. Загрязнение воды приводит к существенному снижению скорости диффузии кислорода к донным осадкам (например, при наличии на поверхности воды пленки нефтепродуктов скорость диффузии снижается на порядки).

 

Рис.3. Круговорот фосфора Р в воде

Ежегодный вынос фосфора в Мировой океан составляет 1,4×10⁷ т, скорость обратного процесса переноса птицами и с продуктами рыбного промысла составляет ~10⁵ т в год. Поскольку запасы фосфора малы и круговорот его чувствителен к воздействию техногенных факторов среды, то их неблагоприятные изменения могут привести к серьезным и необратимым последствиям.

 

2.2. Преобразование биосферы

Основными причинами преобразования и разрушения биосферы являются:

· демографический взрыв;

· урбанизация населения;

· НТП, рост потребления энергии, промышленной продукции и использования транспорта;

· интенсификация с/х производства на основе химизации и мелиорации;

· экологически нерациональное ведение хозяйственной деятельности, ошибки планирования;

· аварии, катастрофы, военные учения, испытания, войны.

Демографический взрыв. За тысячу лет до новой эры на Земле было около 10 млн. людей, в 1900 г. — 1,7 млрд., в 2000 г. — 6,25 млрд.. Население Земли удваивалось в периоды: с 1650 по 1850 г. (200 лет), с 1850 по 1950 г. (100 лет), с 1950 по 1975 г. (25 лет). В настоящее время на Земле проживают 7,05 млрд. человек. 7-миллиардный житель Земли родился в Петропавловске-Камчатском в ночь на 31 октября 2011 г., в 00.19 по местному времени.

Демографический взрыв происходит из-за увеличения средней рождаемости и продолжительности жизни. Увеличению продолжительности жизни и соответственно среднего возраста населения способствует повышение ее комфортности. По данным «Международной исторической статистики 1750- 1980 г.г.» эти процессы имеют следующую тенденцию по годам:

Годы
Средняя продолжительность жизни в мире	36,2	64,5	72,5	84,9
Средний возраст населения Земли

Примечание. Средняя продолжительность жизни по России в 2011 году составила 70,3 года. Для мужчин — 64,3 года, и для женщин — 76,1.

Однако в странах с высоким уровнем жизни рождаемость снижается, например, согласно теории депопуляции в 2006 году Япония войдет в период отрицательного прироста населения и через 50 лет население сократится на 20 млн. человек. Но сокращение прироста в развитых странах компенсируется одновременным существенным увеличением рождаемости в менее развитых странах, особенно Азии и Африки.

По оценкам экспертов ООН, примерно половина ежегодного прироста населения планеты приходится на шесть стран: Индию, Китай, Пакистан, Нигерию, Бангладеш и Индонезию. 5.01. 2005 г. численность населения в Китае достигла 1,3 млрд. чел. Однако с огласно прогнозам The Economist к 2050 г. самой большой страной по населению станет Индия. Прирост населения, например, Индии в настоящее время составляет 1,5 млн. человек в месяц. Во многом это связано с проводимой Китаем политикой ограничения рождаемости на фоне отсутствия таковой у Индии. Таким образом, через 40 лет в Индии будет проживать более 1,614 млн. чел., в Китае же – 1,417 млн.

Страны с самым большим населением
Китай	1,33004 млрд.
Индия	1,148 млрд.
США	303,82 млн.
Индонезия	237, 5 млн.
Бразилия	196,3 млн.
Пакистан	172,8 млн.
Бангладеш	153,5 млн.
Нигерия	146,25 млн.
Россия	140,7 млн.

Механизм демографического взрыва в развивающихся странах детально изучен. Он стал закономерным следствием демографической ситуации, сложившейся в странах Азии, Африки и Латинской Америки в середине ХХ века. Для этой ситуации характерны две главные отличительные черты.

Во-первых, после завоевания политической независимости эти страны получили возможность более широко использовать достижения медицины, в частности в предупреждении различного рода заболеваний, особенно эпидемических. Благоприятно повлияли на снижение показателя смертности также первые успехи в сфере экономического развития. В результате смертность за очень короткое время снизился примерно в два раза.

Во-вторых, в отличие от смертности, рождаемость сохраняется на очень высоком уровне, так как продолжается традиционное демографическое поведение населения. Из 145 млн. детей, за год появляющихся на свет, 125 млн. рождаются в развивающихся странах (см. Приложение).

Именно такое несовпадение во времени (несинхронность) изменений в процессах рождаемости и смертности привело к возникновению небывалого до тех пор демографического взрыва в большинстве стран мира.

По прогнозам ООН, если каждая женщина родит по два ребенка, к 2300 г. на Земле будет 9 млрд. человек. Однако при отсутствии сопротивления среды и бесконтрольности этого процесса население Земли уже к концу ХХI века может возрасти до 28... 30 млрд. человек, что будет иметь катастрофические последствия (голод, деградация биосферы, массовые заболевания, разрушение человеческого сообщества).

Ученые установили, что для здорового существования на 1 человека должно приходиться 1 га нетронутой природы, т.е. на Земле должно жить не более 5 млрд. человек. По оптимистическим прогнозам (при стабилизации) численность человечества должна остановиться на 10 млрд. чел., что будет соответствовать достаточно полному удовлетворению потребностей человека и нормальному развитию общества.

Урбанизация. Этот процесс носит объективный характер. Он связан с развитием и ростом городов. Увеличивается удельный вес городского населения, сельская местность приобретает социальные и другие черты, характерные для техносферы, повышается роль городов в развитии общества.

По данным ООН в городах мира проживали: 3% населения в 1800 г., 41% (в 1980 г., к настоящему время проживает 51%. По прогнозам в 2010-15 г.г. коэффициент интенсивности урбанизации составит 2.1 % в год (см. Приложение).

Общая площадь урбанизированной территории Земли в 1980 г.равнялась 4,69 млн. км². К 2070 г. она составит 19 млн. км², т.е. 12,8% всей или 20 % жизнепригодной территории суши (всего на Земле 148,5 млн. км² суши и 95 млн. км² из них жизнепригодной).

Концентрация производства приводит к росту техногенного воздействия как на среду, так и на человека, поэтому для урбанизированных территорий характерен высокий уровень различных видов загрязнения и наличие специфических заболеваний (от стрессов, шума, энергетического воздействия и т.п.).

Население крупнейших мегаполисов (млн. чел.) к 2025 году
Токио	37,1
Сеул	23,9
Мехико	20,7
Нью-Дели	28,6
Сан-Паулу	21,7
Мумбаи (Бомбей)	25,8
Дакка	20,9
Нью-Йорк	20,6
Калькутта	20,1

До 1975 года в мире было всего три мегаполиса, число жителей в которых превышало 10 миллионов: Токио, Нью-Йорк и Мехико. К 2010 году число таких мегаполисов возросло до 21. Ожидается, что к 2025 году их число увеличится до 29 и 23 из них будут в развивающихся странах.

Среди мегаполисов особенно выделяется Токио. Это крупнейшая городская агломерация мира по численности населения (36,5 миллиона человек в 2009 году). К 2025 году Токио будет оставаться крупнейшим мегаполисом, число жителей которого достигнет 37,1 миллиона человек.

Пекин в пятерку лидеров вообще не попадет. Видимо, к тому времени скажется китайская демографическая реформа. Однако…[2]

НТП и рост энергетических и других потребностей. Потребление материальных и энергетических ресурсов идет более высокими темпами, чем растет численность населения, т.е. происходит увеличение среднего потребления на душу населения.

Во многих странах развитие энергетики достигается за счет все большего использования тепловых электрических станций ТЭС, сжигающих уголь, мазут и природный газ. Выбросы ТЭС весьма губительны для биосферы.

Каждые 12-15 лет объем промышленного производства возрастает в два раза и, соответственно, происходит удвоение выбросов в биосферу загрязняющих веществ. Загрязнение биосферы происходит также из-за массового использования двигателей внутреннего сгорания. Например, с 1960 до 1990 г. численность автомобильного парка в мире возросла со 120 до 429 млн. автомобилей.

В производство уже вовлечено 90 из 104 элементов периодического закона. В окружающей среде накопилось около 50 тыс. видов химических соединений, которые не могут быть преобразованы естественным путем в элементы круговоротов (это отходы пластмасс, пленок, изоляции и т.п.).

Интенсификация с/х производства. За год в почву вносится более 35 млн. тонн удобрений, что оказывает основное отрицательное воздействие на среду. Применение удобрений необходимо, т.к. с урожаем из почвы уносится огромное количество питательных веществ. Наиболее сильно истощают почву зерновые и картофель. Так, при мировом валовом сборе зерновых, равном ~1 млрд. т, из почвы выносится 33 млн. т азота. Негативные последствия связаны также с применением пестицидов. Мировой ассортимент насчитывает более 100 тыс. препаратов. Это:

· аракциды против клещей;

· альгициды от водорослей;

· арборициды от нежелательной древесной растительности;

· бактерициды против микробов;

· гербициды от сорных трав;

· инсектициды от насекомых;

· фунгициды от грибковых заболеваний;

· десиканты для подсушивания растений на корню и ускорения созревания.

Ежегодно на поля поступает более 4 млн. т пестицидов. Эти вещества опасны для человека — от прямого отравления ими за год в мире погибает до 10 тыс. чел.

Стойкие пестициды включаются в природные круговороты. С атмосферными потоками они разносятся на большие расстояния. Например, в Антарктиде в ледяном панцире накоплено более 2000 т ДДТ.

К этим причинам разрушения биосферы добавляются естественные (природные). Основной из них является эрозия почв. Из-за ветровой и водной эрозии, засоления и других причин в мире ежегодно теряется 5...7 млн. га пашен. За последнее столетие из оборота выведено ~ 2 млрд. га плодородных земель.

 

Экологический кризис

В системе «человек – биосфера» действуют различные факторы чрезмерной опасности, приводящие к экологическому кризису:

· использование человеком источников энергии преимущественно внутренних по отношению к биосфере (органическое топливо) и технологий, активно загрязняющих среду. Это приводит к нарушению экологических круговоротов основных и лимитирующих элементов, кризису редуцентов в виде парникового эффекта, разрушения озонового слоя и т.д.;

· значительная разомкнутость хозяйственных циклов, дисбаланс в потреблении ресурсов и их естественном восстановлении. Это приводит, во-первых, к обеднению и истощению природы и, во-вторых, к накоплению отходов, загрязняющих среду. Все это нарушает природное экологическое равновесие и негативно влияет на глобальные круговороты веществ;

· использование помимо естественных искусственно синтезируемых веществ также ведет к нарушению экологического равновесия и возрастанию токсичности окружающей среды;

· разрушение биосферы, сопровождающееся уничтожением структурного многообразия биосферы, гибелью многих организмов и целых видов, и ведущее к серьезным нарушениям экологической стабильности.

Под экологическим кризисом понимается та стадия взаимодействия между обществом и природой, когда предельно обостряются противоречия между экономикой и экологией, т.е. экономическими интересами общества и ресурсно-экологическими возможностями биосферы. Это процесс не только усиления воздействия человека на природу, но и резкого увеличения влияния природы на общественное развитие. Кризис не следует путать с экологической катастрофой. Кризис это обратимое состояние, которое характеризуется качественным преобразованием биосферы и обновлением живого вещества. В истории человечества выделяются такие кризисы как:

· изменение среды обитания, вызвавшее появление антропоидов — непосредственных предков человека;

· обеднение ресурсов, доступных примитивному человеку, что привело к возникновению простейших технологий. Например, выжиганию растительности для лучшего ее роста;

· засоление почв, деградация плодородных земель, что привело к развитию неполивного земледелия;

· антропогенные, связанные с массовым уничтожением крупных животных (кризис консументов), сокращением растительных ресурсов (кризис продуцентов), глобальным загрязнением среды (кризис редуцентов).

Продуценты — организмы, превращающие под воздействием солнечной энергии неорганические соединения в органическую пищу биосферы (высшие растения, водоросли, некоторые бактерии);

Консументы — организмы, питающиеся органическим веществом (все животные, часть микроорганизмов, паразитические и насекомоядные растения);

Редуценты — организмы (бактерии и грибы), превращающие органические остатки биомассы в неорганические (минерализация).

Для современного этапа развития общества характерно малоэффективное использованием ресурсов. За год на 1 человека из недр извлекается более 20 т сырья. Из них только ~ 2% превращаются в полезный продукт, а 98% составляют отходы. Большая часть из них — неиспользуемые отходы, т.е. вторичные ресурсы, для которых в настоящее время отсутствуют условия использования. Из среды изымаются природные элементы, а возвращаются не свойственные ей соединения, т.е. нарушается естественное соотношение действующих химических элементов. Ежегодно 5,2 млн. чел. (из них 4 млн. детей) умирают от заболеваний, вызванных неправильным удалением сточных вод и твердых отходов. К 2025 г. объем и расходы на удаление отходов возрастут в 4...5 раз. Ежегодно образуется более 200 тыс. м³ радиоактивных отходов и отработанного ядерного топлива.

К глобальным последствиям экологического кризиса, связанным с кризисом редуцентов, относятся нарушение парникового эффекта и разрушение озонового слоя. Главную роль в тепловом состоянии Земли играет солнечная радиация. На нее приходится 99,8% и только 0,2% на земные источники. Атмосфера оказывает экранирующее воздействие на теплообмен и поэтому ее состояние существенно влияет на его интенсивность. Основная часть солнечной энергии поступает к поверхности Земли в оптическом диапазоне, а отраженная от поверхности – в инфракрасном. Если в оптическом диапазоне атмосфера «прозрачна», т.е. не поглощает излучение, то в инфракрасном она интенсивно поглощает излучение многоатомными (более трех атомов в молекуле) газами (СО₂, Н₂О, СН₄, О₃ др.) и пылью, которые находятся в атмосфере[3]. Возникает так называемый «парниковый эффект». Увеличение содержания газов ведет к тому, что отраженная энергия задерживается в атмосфере в больших количествах.. Последствием этого процесса является рост температуры атмосферы — по прогнозам через 100 лет средняя температура в Арктике достигнет 4-5°С, к 2030 г. она может повыситься на 1,5...4,5°С. Площадь льдов Арктики за последние 100 лет уменьшилась на 20%, а толщина льда уменьшилась вдвое за последние 40 лет. Исчезает шельфовый лед в Антарктиде— за 40 лет на 50 км отодвинулась граница шельфа. Особенно опасно то, что шельф как барьер сдерживает полярные льды от сползания в океан. К 2050 г. Земля может остаться без полярных льдов. Это опасно для островных стран и территорий, расположенных ниже уровня моря. Так, прогнозируемое повышение уровня моря к 2100 г. на 2 м приведет к затоплению 5 млн. км² суши, а это 30% всех урожайных земель планеты (см. Приложение).

«Парниковый эффект» заметен и на региональном уровне. Интенсивное поступление в атмосферу от антропогенных источников (ТЭС, транспорт, промышленность), указанных выше газов и пыли, создает вокруг городов зоны радиусом до 50 км с повышенными на 1...5°С температурами. Эти купола хорошо видны из космоса. Парниковый эффект проявляется в основном в приземном слое.

В 1997 г. был принят Киотский протокол, регламентирующий снижение выбросов парниковых газов СН₄, NO, диксохлорида серы, карбонов и др. (в том числе на 5% СО₂ к 2013 г.) и устанавливающий квоты на выбросы для государств.. К 2005 г. протокол ратифицировала 121 страна (из 140 участников). Для того чтобы он вступил в силу, суммарная доля выбросов ратифицировавших стран должна составить не менее 55%. Этот порог был преодолен после ратифицикации договора Россией, на долю которой приходится квота, составляющая 17% выбросов. На долю США приходится 30%. Ожидаемый эффект состоит в том, что 39 промышленно развитых стран сократят на 5,2% выбросы парниковых газов. Протокол вступил в силу 16.02.05 г.

Озоновый слой располагается на высотах от 7...8 км на полюсах и 17...18 км на экваторе до 50 км. Наибольшая плотность озона наблюдается на высотах 20...22 км. Концентрация озона здесь в 10 раз выше, чем у поверхности Земли. Толщина озонового слоя Земли измеряется в единицах Добсона (DU). 1 DU – это толщина слоя газа, равная 10 мкм при нормальном атмосферном давлении. Средняя толщина озонового слоя Земли равна 300 DU, т.е. сжатый под давлением в 1 атмосферу стратосферный озон образовал бы слой, толщиной 3 мм.

Озоновый слой поглощает ультрафиолетовое излучение, гибельное для живых организмов. Исследования озонового слоя английскими учеными показывают, что в 1957 г. он еще был стабильным, к 1979 г. произошли ощутимые изменения. В начале 80-х годов впервые отмечены озоновые дыры. Так называют обширные пространства в озоносфере с пониженным до 50% содержанием озона. Темпы расширения озоновых дыр к концу 80-х г.г. составили 4% в год. Первоначально они располагались над Антарктикой (по размеру выходят за контуры материка) и Арктикой. В 1987 г. площадь антарктической озоновой дыры была больше площади США (см. Приложение). Следствием разрушения озонового слоя явилось увеличение заболеваний раком кожи.

Разрушение слоя происходит при взаимодействии озона с вредными примесями, которые попадают в высокие слои атмосферы. Основной причиной возникновения озоновых дыр является использование в промышленности, в холодильниках, в аэрозольных упаковках хладонов— веществ, которые содержат галогены. В конце 80-х г. в среду выбрасывалось до 1 млн. тонн в год хладонов. Они содержатся и в ракетном топливе. Если учесть, что носитель выбрасывает на высотах до 50 км около 180 т соединений хлора, а одна молекула Cl разрушает до 10⁵ молекул озона, то один запуск сопровождается разрушением ~0,3% озона. Время жизни хладонов в атмосфере достигает 100 лет, поэтому без эффективной защиты к 2050 г. может разрушиться 10 % слоя.