• Предмет: Экология:Экология
  • Вид работы: Контрольная
  • Год написания: 2015
  • Страниц: 20

Биосфера,Гидросфера

Учение В.И. Вернадского о биосфере.

Основы учения В.И. Вернадского о биосфере, категории экологических факторов, закономерности их действия, адаптация организмов к действию экологических факторов, структура и динамика популяций, экосистем, их гомеостаз,

сукцессия, основные принципы функционирования экосистем, естественные и антропогенные помехи в экосистемах.

Учение о биосфере Земли- одно из крупнейших и наиболее интересных обобщений современного естествознания. Оно является научной основой для исследования природных объектов и комплексного подхода при организации современного производства.

Землю нередко сравнивают с космическим кораблем, а человека- с пассажиром. В бескрайних просторах космоса, в известной нам части Вселенной, только одна Земля- планета жизни. И только на ней могут жить люди. Системой жизнеобеспечения для них является биосфера- область существования «живого вещества- совокупности живых организмов» [1]. Колыбель. Ноmоsapiens, основа его физического и духовного развития, источник всех природных ресурсов- все это биосфера И в познании законов ее эволюции и организованности лежит ключ к разумному преобразованию трудом и социальной мыслью человека.

Величие В.И. Вернадского в том, что он впервые понял и научно обосновал единство человека и биосферы.

Владимир Иванович Вернадский (1863-1945) — крупный отечественный ученый, минералог и кристаллограф, один из основоположников геохимии и биогеохимии. Основные его идеи по проблеме биосферы сложились в начале текущего столетия: он излагал их в лекциях в Париже. В 1925г. появилась статья В.И. Вернадского «Ход жизни в биосфере», а в 1926 г. вышла книга «Биосфера». Затем различные стороны учения В.И. Вернадский неоднократно рассматривал в статьях и в большой, опубликованной только через 20 лет после его смерти, монографии «Химическое строение биосферы Земли и ее окружения».

Рассмотрим некоторые самые основные положения учения В.И. Вернадского о биосфере.

В основе учения лежит представление о планетарной геохимической роли живого вещества в образовании биосферы как продукта длительного превращения вещества и энергии в ходе геологического развития Земли.

Прежде всего, В.И. Вернадский определил пространство, охватываемое биосферой Земли.

Биосфера (гр. «биос» — жизнь; «сфера» — шар) — оболочка Земли, в которой развивается жизнь разнообразных организмов, населяющих поверхность суши, почву, нижние слои атмосферы, гидросферу.

Будучи человеком щепетильным в вопросах научной этики, В.И. Вернадский неоднократно повторял, что термин «биосфера» принадлежит не ему, что впервые его еще в начале прошлого века употребил французский биолог Ж.-Б. Ламарк, разработавший первую эволюционную концепцию. Определенный геологический смысл в 1875г. вложил в термин «биосфера» австрийский ученый Э. Зюсс. Однако связанное с этим термином законченное учение создал В.И. Вернадский.

Планета Земля характеризуется наличием трех поверхностных геосфер — гидросферы, литосферы, атмосферы.

Гидросфера, или водная оболочка Земли, представлена океанами, морями, озерами, реками и искусственными водоемами. Водная оболочка покрывает около 71% поверхности земного шара, наибольшая глубина в западной части Тихого океана достигает 11,5 км (Марианская впадина).

Литосфера, или земная кора, представляет собой внешнюю твердую оболочку земного шара мощностью в несколько десятков километров.

Атмосфера, или воздушная оболочка, состоит из нескольких слоев: тропосферы до 15 км высоты над поверхностью Земли; стратосферы, с озоновым экраном, простирающейся до 100 км высоты; ионосферы, представляющей слой разреженного газа, высотой до 500 км.

Биосфера охватывает, таким образом, верхнюю часть литосферы (до 15 км глубины), всю гидросферу и нижнюю часть атмосферы (тропосферу и нижние слои стратосферы, до 25 км высоты). Следовательно, в целом биосфера представляет слой распространения жизни мощностью по вертикали около 40 км, хотя реальные границы распространения живого более сужены.

Биосфера имеет мозаичное строение, слагаясь из экосистем, которые представляют собой уменьшенную модель биосферы. Сама же биосфера — глобальная экологическая система.

Совокупность живых организмов, населяющих биосферу, В.И. Вернадский называет живым веществом. Красной нитью в учении проходит мысль о том, что живое вещество — «функция биосферы», а биосфера — результат развития живого вещества.

В любой экосистеме живое вещество представлено тремя группами организмов:

1) автотрофы (продуценты) — самопитающиеся (от гр. «трофе» — питаюсь, «аутос» — сам, от лат. «продуцентис» — производящий). Это растения, которые используют световую энергию, чтобы продуцировать все сложные органические соединения своего тела из простых неорганических, присутствующих в окружающей среде;

2) гетеротрофы (консументы) — питающиеся другими существами (от гр. «гетерос» — другой; от лат. «консумо» — потребляю). К ним относятся самые разнообразные существа — от простейших до млекопитающих, включая человека. Животные, питающиеся непосредственно продуцентами, называются консументами первого порядка, или первичными. Их самих употребляют в пищу вторичные консументы. Бывают консументы более высоких порядков, причем некоторые виды соответствуют нескольким таким уровням. Первичные консументы называются растительноядными, или фитофагами. Консументы второго и более высоких порядков – плотоядные;

3) миксотрофы (редуценты) — разлагающие живые вещества (от греч. «миксис» — смешение; от лат. «редукцио» – возврат). Эти организмы (преимущественно бактерии, грибы, простейшие) в процессе жизнедеятельности разлагают органические остатки до минеральных веществ.

Суммарная масса (биомасса) живых организмов оценивается примерно в 2,4.1012 т.

Кроме живого вещества, В.И. Вернадский различал еще 3 категории веществ, т.е. всего 4: 1) живое вещество; 2) биогенное вещество — то, что возникло из живого (каменный уголь, нефть, торф, мел); 3) биокосное вещество — преобразованная организмами неорганика (почва, осадочные породы); 4) косное вещество — все, что не имело связи с живым (застывшая лава, вулканический пепел).

В пределах биосферы существуют 4 среды жизни: две мертвые (вода, воздух), одна биокосная (почва) и одна живая (организм). Среды жизни в пределах биосферы населены монобионтами (обитателями одной среды), дибионтами (обитателями двух сред) и полибионтами (живущими в трех или четырех средах).

Процессы, протекающие в экосистеме (число живых организмов, скорость их развития и т.п.), зависят от количества энергии, поступающей в экосистему, и от циркуляции веществ в экосистеме. Биосфера является энергетически незамкнутой системой, в которой идет поглощение энергии из внешней среды.

Рис. 1 . Поток энергии в биосфере

Непрерывный поток солнечной энергии, воспринимаясь молекулами живых клеток, преобразуется в энергию химических связей (рис. 1). Создаваемые таким образом (например, при фотосинтезе) химические вещества последовательно переходят от одних организмов к другим: от растений к растительноядным животным, от них — к плотоядным животным первого порядка, затем второго и т.д. Этот переход рассматривается как последовательный упорядоченный поток вещества и энергии. Поток энергии в экосистемах полностью соответствует началам термодинамики. Часть потенциальной химической энергии пищи, высвобождаясь, позволяет организму осуществлять свои жизненные функции, т.е. «работать», и параллельно теряется в виде тепла, увеличивая энтропию, которая рассматривается как мера неупорядоченности системы.

Если бы поток солнечной энергии, поступающей на Землю, только рассеивался, то жизнь была бы невозможна, (система находилась бы в состоянии максимальной энтропии). Для того, чтобы энтропия системы не возрастала, организм или система должны извлекать из окружающей среды отрицательную энтропию — негэнтропию, т.е. работать против градиента. Для работы против градиента экологическая система должна получать энергетическую дотацию, которая и поступает в виде энергии Солнца. Живой организм извлекает негэнтропию из пищи, используя упорядоченность ее химических связей. Часть энергии теряется, расходуясь, например, на поддержание жизненных процессов, часть передается другим организмам. В начале же этого потока находится процесс автотрофного питания растений — фотосинтез, при котором повышается упорядоченность деградировавших органических и минеральных веществ. При этом энтропия уменьшается за счет поступления энергии Солнца.

Таким образом, все превращения энергии в экосистеме всегда соответствуют термодинамической модели незамкнутой системы.

За миллиарды лет своего существования биосфера прошла сложный путь развития, называемый эволюцией. На Земле широко распространены осадочные горные породы. Изучение их состава и заключенных в них органических ископаемых остатков дало возможность уже в первой половине ХIХ века установить определенную последовательность в их напластованиях. Были выделены слои с характерными для них останками животных и растений. Этим слоям дали наименования. По характерным горным породам были названы меловый и каменноугольный слои. Другие группы слоев получили свое название по местности, в которой их впервые обнаружили и изучили. Так появились отложения юрской, девонской, пермской, кембрийской и других систем.

Радиогеохронологический метод (исследование радиоактивного распада урана, содержащегося в минералах и горных породах, и превращения его в свинец) позволил установить начало и продолжительность каждого геологического периода. Самые древние горные породы были обнаружены в Сибири и в Австралии. Установлено, что общий возраст нашей Земли — немногим более 4,2 млрд. лет .

В.И. Вернадский сам не занимался проблемой возникновения жизни. Он рассматривал ее появление на Земле как некоторое «эмпирическое обобщение», т.е. как факт, данный нам в опыте — «так есть на самом деле». Вместе с тем он считал жизнь явлением космическим, не считая ее исключительной привилегией Земли [1].

В работе [2] высказываются предположения о том, что в период формирования планеты Земля извне на нее попало вещество углистых хондритов, богатое водой, за счет которой могла сформироваться гидросфера. Углистые хондриты содержат разнообразные органические соединения, в том числе нуклеотиды, аминокислоты, порфирины, образующие ядра молекул хлорофилла. Поэтому в первичных водоемах концентрация органических соединений изначально могла быть высокой.

Первые следы жизни найдены в слоях литосферы, образовавшихся около 3 млрд. лет назад.

По одной из гипотез, возникновению жизни предшествовало образование сложных органических молекул таких, как аминокислоты, которые образовались из метана, аммиака, водорода и паров воды в условиях высоких температур, ультрафиолетового излучения Солнца и повышенной вулканической деятельности [3].

Неравномерное распределение органических молекул в толще воды привело к образованию коллоидных сгущений — коацерватов («коацерватус», лат. — собранный). Это первые предбиологические системы, которые обладали способностью к делению, избирательному поглощению веществ из окружающего раствора и могли избавляться от ненужных им соединений. Это явилось началом обмена веществ, возникновения процессов переноса энергии, обмена информацией.

В результате качественного скачка коацерватные капли приобрели способность к самовоспроизведению и превратились в простейшие живые организмы.

Следовательно, согласно рассматриваемой гипотезе, первый этап — возникновение и формирование биосферы, характеризуется развитием в гидросфере простейших водных монобионтов (гидробионтов). Это были одноклеточные прокариоты (организмы, не имеющие оформленного ядра), которые в ходе эволюции дифференцировались по разным линиям приспособления — на одноклеточных и многоклеточных, растения и животных, особей мужского и женского пола, продуцентов, консументов и редуцентов [4].

Постепенное увеличение в воде количества кислорода за счет жизнедеятельности организмов и его диффузия в атмосферу сделали возможным быстрое распространение жизни и развитие эукариотических (обладающих оформленным ядром) клеток, что привело к эволюции более сложных живых систем.

Считается, что первые клетки с ядром появились после того, как содержание кислорода в атмосфере достигло 3-4 %, что произошло примерно 1 млрд. лет назад.

Когда содержание кислорода около 700 млн. лет назад достигло примерно 8 %, появились первые многоклеточные организмы.

Примерно 600 млн. лет назад произошел эволюционный взрыв новых форм жизни таких, как губки, кораллы, черви, моллюски, морские водоросли и др.

Таким образом, длительный период (3500 — 400 млн. лет назад) вода была главной средой жизни, а эволюция в ней дошла до высших растений и позвоночных животных.

Вторым этапом эволюции биосферы можно считать появление у гидробионтов паразитов (временных вредных сожителей) и симбионтов (постоянных полезных сожителей). Это привело к формированию второй среды жизни — организма. Явление симбиоценоза (и паразитоценоза) продолжало развиваться и с появлением новых сред жизни (воздух, почва). Некоторые «сожители» вошли в столь тесные отношения с «хозяином», что стали своеобразными «органами» его тела. Например, человек получает витамин В1 от кишечной палочки. Известно, что в ряде случаев, если нет симбионтов, не развивается иммунитет.

Третий этап эволюции биосферы — выход организмов из водной среды на сушу, где под их непосредственным влиянием сформировались новые среды жизни — воздух и почва. Около 400 млн. лет назад имели место две фазы каледонского тектонического цикла, связанного с обнажением больших площадей мелководных морских акваторий. Органические остатки морских организмов, по-видимому, и были той первичной основой, на которой могли появиться сначала земноводные, а затем и сухопутные формы растений.

Выход растений на сушу представлял собой настоящую революцию в истории биосферы, так как развитие окислительной атмосферы в результате фотосинтеза способствовало возникновению многоклеточности, обеспечило выход жизни на сушу, стало причиной появления минералов в окисленной форме. Образование почвы изменило структуру поверхностного слоя планеты, создав условия для мощного развития растительности. Это создало предпосылки для выхода на сушу различных животных. В ископаемых остатках этого периода уже встречаются скорпионы, клещи, насекомые. Началось формирование наземных позвоночных. Некоторые амфибии приобрели способность размножаться вне воды. Появились первые пресмыкающиеся. Насекомые начали завоевывать воздушную среду. 190-230 млн. лет назад на суше имело место взрывное развитие пресмыкающихся. Это было время динозавров. Около 190 млн. лет назад появились первые млекопитающие, птицы.

Таким образом, около 400-350 млн. лет тому назад в биосфере сформировались четыре среды жизни, существующие и поныне: вода, почва, воздух и организм. На протяжении последующей истории Земли шло развитие этих сред жизни, обогащался их химический состав, возникали новые обитатели.

Особое значение в эволюции живого вещества имел переход от бесполого размножения к половому и появление живорождения. Четвертым этапом эволюции биосферы следует считать появление живорождения у животных, которое привело к возникновению принципиально нового типа дибионтных организмов: до рождения развивающихся в специальных органах тела матери, а после рождения ведущих свободный образ жизни в воде, воздухе или почве [4].

На протяжении последнего миллиона лет в биосфере появляется человек, внесший коренные изменения в ход ее дальнейшего развития. Поэтому пятым этапом эволюции биосферы следует считать социальный, когда человек из обычного биологического вида стал биосоциальным существом.

На данном этапе эволюции биосферы развивающийся человек все более активно входит в различные биоценозы и экосистемы. Он истребляет одни виды, приручает и окультуривает другие, создает новые сорта растений и породы животных. С самого начала своего разумного существования человек отличался неразумием по отношению к природе.

Сегодняшний период развития биосферы, нередко именуемый техносферой, ставит задачи срочного принятия мер по охране окружающей среды — внедрение малоотходных технологий, оборотного водоснабжения, рационального природопользования.

Шестой этап эволюции биосферы связан с ее переходом под влиянием разумной деятельности человека в состояние ноосферы (сферы Разума). Развитие жизни (биогенез), по представлениям В.И. Вернадского, пойдет по пути развития разума (ноогенеза).

В связи с развитием общества и усилением его отрицательных воздействий на биосферу, особенно с наступлением эпохи научно-технической революции, приведшей биосферу в состояние глобального экологического кризиса, переход биосферы в ноосферу отодвинулся на неопределенное время. Техносферу не следует считать особым этапом развития биосферы, а лишь результатом воздействия человека на окружающую среду в условиях развития современного общества, задерживающего переход к ноосфере. Следует отметить, что предотвратить изменение среды невозможно, как невозможно остановить прогресс человеческого общества. Очевидно, необходимо так управлять процессами взаимоотношений между человеком и биосферой, чтобы они были взаимно выгодны и чтобы развитие общества не привело к деградации биосферы.

В.И. Вернадскому принадлежит, в частности, идея о возможности превращения человеческого общества из гетеротрофной категории в социально автотрофную. В данном случае понятие «автотрофность» означает относительную независимость человека от продуктов, создаваемых биосферой. В силу своих биологических особенностей человек не может перейти к автотрофной ассимиляции, но общество способно осуществлять так называемый автотрофный способ производственной деятельности, под которым подразумевается замена высокомолекулярных природных соединений низкомолекулярными. Идея автотрофности привлекает тем, что подобное функционирование общества может быть минимально связано с наруше­нием природной среды.

Дальнейшее развитие биосферы и превращение ее в ноосферу не может быть стихийным процессом, а требует четкого управления; при стихийном развитии биосферы вероятны катастрофические в ней изменения из-за появления необратимых процессов, и губительных для всего живого веществ.

Для управления процессом развития биосферы необходимы правильные представления о самих процессах ее развития. Ключевым здесь является вопрос теоретического осмысления природы глобального экологического кризиса.

Закономерности действия экологических факторов: Законы Либиха и Шелфорда.

Для разных видов условия, в которых они особенно хорошо себя чувствуют, неодинаковы. Например, некоторые растения предпочитают очень влажную почву, другие — относительно сухую. Одни требуют высокой температуры, другие лучше переносят пониженную.

Обозначим множество значений любого фактора в виде вектора, или шкалы. Жизнь возможна лишь при определенных значениях факторов, совокупность которых носит название экологического спектра [5]. Каждый вид характеризуется своим экологическим спектром.

Рис. 2. Схема экологического спектра

Действие каждого фактора характеризуется наличием в пределах его общего спектра трех зон (рис. 2.):

  1. зоны нарушения жизнедеятельности вследствие недостатка фактора (зона минимума);

  2. зоны нормальной жизнедеятельности (зона оптимума);

  3. зоны нарушения жизнедеятельности вследствие избытка фактора (зона максимума).

При минимуме и максимуме фактора организм может жить, но не достигает расцвета (стрессовые зоны). Весь интервал значений фактора от минимального до максимального, при которых возможна жизнедеятельность организма, называют диапазоном устойчивости (толерантности).

В 1840 г. химик Юстус фон Либих, наблюдая за влиянием на растения химических удобрений, обнаружил, что ограничение дозы любого из них ведет к замедлению роста. Это позволило ученому сформировать правило, которое носит название закона минимума Либиха.

Согласно этому закону, жизненные возможности лимитируют факторы, количество и качество которых близки к необходимому организму или экосистеме минимуму.

Закон относится ко всем влияющим на организм биотическим и абиотическим факторам и применим и к растениям, и к животным, и к человеку.

В 1913 г. американский ученый Шелфорд показал, что не только вещество, присутствующее в минимуме, может определять жизнеспособность организма, но и избыток какого-то элемента может приводить к нежелательным отклонениям. Например, при недостатке воды в почве ассимиляция растением минеральных веществ затруднена, но и при избытке воды возникают процессы гниения, закисание почвы.

Факторы, присутствующие как в избытке, так и в недостатке (по отношению к оптимальным требованиям организма), называются лимитирующими. Правило Шелфорда получило название закона лимитирующего фактора или закона толерантности.

Проблемы урбанизации.

Экономические, природные и социальные условия находятся под воздействием не только роста населения и особенностей его возрастной структуры, но и географического распределения населения между сельскими и городскими районами. В 1900 г. лишь 14 % населения Земли проживало в городских зонах. Сегодня 41 % населения – жители городов: 73 % в развитых странах и 32 % в развивающихся. Предполагается, что к 2000 г. в городах будет проживать две трети населения Земли [6].

Таблица 1.

Десять наиболее крупных мегаполисов земного шара
в 1985 и 2000 гг. (по данным ООН)

1985

2000

Токио-Йокогама

18,8

Мехико

25,8

Мехико

17,3

Сан-Пауло

24,0

Сан-Пауло

15,9

Токио-Йокогама

20,2

Нью-Йорк

15,6

Калькутта

16,5

Шанхай

12,0

Большой Бомбей

16,0

Калькутта

11,0

Нью-Йорк

15,8

Большой Буэнос-Айрес

10,9

Сеул

13,8

Рио-де-Жанейро

10,4

Тегеран

13,6

Лондон

10,4

Рио-де-Жанейро

13,3

Сеул

10,2

Беспрецедентный рост урбанизации в мире привел к возникновению мегаполисов — городов с населением более 10 млн. человек. В 1985 г. было 10 мегаполисов, большая их часть приходилась на развивающиеся страны (табл. 1.). По прогнозам ООН к 2000 г. количество мегаполисов увеличится до 26, две трети из них будут расположены в развивающихся странах. Такие города страдают от сильного загрязнения воздуха, массовой безработицы, переполненных трущоб. Свалки мусора и стоки издают зловоние. Люди, живущие в трущобах, лишены канализации и каждый день поставляют тонны отходов в сточные канавы и пустыри. В Мехико, например, более 3 млн. автомобилей, 7 тыс. дизельных автобусов и 130000 фабрик загрязняют атмосферу. Загрязнение атмосферы и воды в Мехико служит причиной 100000 преждевременных смертей в год.

Как в развивающихся, так и в развитых странах урбанизация создает дополнительные проблемы. В городах концентрируются твердые отходы, отмечаются высокие уровни шума, загрязнения воздуха и воды, неотъемлемым условием городов являются стрессы и высокий процент заболеваемости. Городские системы неустойчивы: они зависят от внешних экосистем, поставляющих им продовольствие, воду, энергию, минеральное сырье и другие ресурсы и поглощающих накопившиеся городские отходы. На рис. 3.5. показана схема потребления ресурсов городом с миллионным населением. Здесь же приведены данные по сбросам и выбросам в окружающую среду.

 

 

Беспрецедентный рост урбанизации в мире привел к возникновению мегаполисов — городов с населением более 10 млн. человек. В 1985 г. было 10 мегаполисов, большая их часть приходилась на развивающиеся страны (табл. 3.1). По прогнозам ООН к 2000 г. количество мегаполисов увеличится до 26, две трети из них будут расположены в развивающихся странах. Такие города страдают от сильного загрязнения воздуха, массовой безработицы, переполненных трущоб. Свалки мусора и стоки издают зловоние. Люди, живущие в трущобах, лишены канализации и каждый день поставляют тонны отходов в сточные канавы и пустыри. В Мехико, например, более 3 млн. автомобилей, 7 тыс. дизельных автобусов и 130000 фабрик загрязняют атмосферу. Загрязнение атмосферы и воды в Мехико служит причиной 100000 преждевременных смертей в год.

Как в развивающихся, так и в развитых странах урбанизация создает дополнительные проблемы. В городах концентрируются твердые отходы, отмечаются высокие уровни шума, загрязнения воздуха и воды, неотъемлемым условием городов являются стрессы и высокий процент заболеваемости. Городские системы неустойчивы: они зависят от внешних экосистем, поставляющих им продовольствие, воду, энергию, минеральное сырье и другие ресурсы и поглощающих накопившиеся городские отходы. На рис. 3.5. показана схема потребления ресурсов городом с миллионным населением. Здесь же приведены данные по сбросам и выбросам в окружающую среду.

Гидроэнергетика. Влияние на окружающую среду.

Гидроэлектростанции (ГЭС) второй по общему объему мощности источник электроэнергии в России (~18 %). На ГЭС производится четвертая часть электроэнергии в мире, причем в некоторых странах гидроэнергетика играет основную роль в энергообеспечении, например, на ГЭС Норвегии вырабатывается 99 %, а в Бразилии — 87 % производимой электроэнергии.

В 1991 г. за счет эксплуатации ГЭС в СНГ было сэкономлено 70 млн. тут (тонн условного топлива), что предотвратило выброс в атмосферу 1,2 млн. т золы и 2,2 млн. т SO2 и NOХ. Однако ГЭС оказывает негативное воздействие на природу из-за затопления земель и нарушения водного и экологического равновесия источников гидроэнергии.[7].

В 1991 г. в СНГ работало 200 ГЭС, при их строительстве было затоплено 12 млн. га сельскохозяйственных угодий (из 22 млн. га, утраченных за последнее десятилетие). ГЭС и создаваемые при их строительстве водохранилища — это наиболее крупные техногенные объекты, расположенные в густонаселенных районах страны. Площадь Куйбышевского водохранилища 6450 км2, Братского — 5470 км2, Рыбинского — 4550 км2, Волгоградского — 3120 км2, Цимлянского — 2900 км2, Кременчугского — 2250 км2. [9].

Недавно стали всерьез изучаться экологические явления, характерные только для водохранилищ. Изменение уровня воды в водохранилищах происходит не по законом природы, а по командам диспетчера. Колебания различных параметров, определяющих условия обитания живых организмов, совершаются в виде скачков и вне зависимости от жизненных циклов населяющих водоем организмов. Снижается биопродукционный потенциал организмов. Масса сине-зеленых водорослей в отдельных местах начинает превышать 50 кг/м2, при их отмирании и разложении резко уменьшается содержание кислорода в воде, выделяются токсические вещества. Гибнет рыба, вода становится непригодной для питья, ее практически невозможно использовать в технических целях, нарушаются рекреационные условия на побережье. Уменьшается самоочищающая способность водоемов, в отдельных зонах возникают заморные условия.

Зарегулирование рек позволило направить воду на орошаемые поля, заводы, электростанции. Гидроузлы ликвидировали во многих районах опасность весенних наводнений. Но в это же время водохранилища привели к постоянному затоплению лесов и лугов, многих населенных мест, памятников культуры, месторождений полезных ископаемых и других ценных объектов. Просачиваясь в грунт, вода подтапливает и заболачивает обширные прибрежные территории, изменяет их ландшафт и микроклимат. В результате близости Цимлянского водохранилища к г. Волгограду происходит подтопление грунтовыми водами фундаментов цехов завода «Атоммаш». [8].

Водохранилища могут повышать сейсмичность районов расположения. Разрушение плотины крупной ГЭС способно вызвать катастрофическое наводнение.

Пристрастие к гигантомании и пагубность такого подхода в природопользовании особенно отчетливо видна на примере ГЭС.

В 1963 г. были введены в действие первые агрегаты Братской ГЭС, полная мощность которых 4,5 млн. кВт. Оказалось, что такая станция фактически не нужна, так как рядом не было промышленного комплекса. Тогда ударными темпами строится ЛЭП-500 для передачи мощности ГЭС в Иркутск и Западную Сибирь через Красноярск. Это привело к десятилетнему застою (1964-1974 гг.) на сибирских ТЭС. Мощность их снизилась до 50 %.

Оказалось, что в регионах с высоким удельным весом ГЭС больше половины их мощности не используется. Хотя зимой (особенно в маловодные годы) спрос на энергию удовлетворяется еле-еле и вводятся всевозможные ограничения потребителей, а летом мощность ГЭС на 50 % не нужна.

Во всем мире сейчас отказываются от строительства крупных равнинных электростанций и переходят на мелкие, бесплотинные, которые лет 40 назад были придуманы в России. В настоящее время на Кольском полуострове 17 небольших электростанций, стоящих на малых реках незначительно нарушают своей работой окружающую среду, а регион и ближайших соседей обеспечивают энергией.

В недавние времена в районах создания крупных водохранилищ затоплялись большие участки леса. По мнению ведомственных чиновников, его вырубка приносила «копейки» и к тому же отодвигала сроки ввода ГЭС на несколько лет. Поэтому считалось «экономичным» оставлять лес под водой. Только при строительстве Богучанской ГЭС на Ангаре на корню перед затоплением оставлено около 2 млн. м3 древесины. Потом приходится расплачиваться за «экономию»: лес гниет, водоемы становятся непригодными для всего живого. Член — корреспондент РАН Г. Галадий перечисляет адреса экологических преступлений: «При строительстве Братской ГЭС затоплено 40млн. м3 древесины. Ими можно было покрыть все нужды строительства и в определенной мере — заводов по ее переработке. Есть заливы на Братском море, в которые нельзя зайти катером — кругом торчат верхушки деревьев. На Усть-Илимской ГЭС под водой оказалось 20 млн. м3. На Енисее все повторилось. Знакомая картина на Вилюйской, Саяно-Шушенской ГЭС» [9].

После перекрытия Оби плотиной Новосибирской ГЭС и образования Новосибирского водохранилища изменились гидрологические условия Оби. В зоне основного водохранилища и Бердского залива активизировалось загрязнение воды и дна, так как водоем лишен возможности самоочищения в период ледохода и паводка. Уменьшился видовой и количественный состав рыб: стали преобладать лещ и судак — если первый пожирает икру других рыб, то второй поедает молодь.

После пуска первой ГЭС Енисей перестал замерзать на десятки км ниже плотины, следовательно, изменились и условия обитания в этом районе. Другим стал климат: сухой и здоровый воздух сменился влажным, туманным. Не вырубленный на дне Красноярского моря лес постепенно превращает водохранилище в зеленое цветущее месиво.

При строительстве Красноярской ГЭС энергетики не построили рыбоприемники и рыбоходы в плотине, что привело к прекращению нереста рыбы ценных пород в верхнем течении Енисея.

Несмотря на уже проявившие себя отрицательные экологические последствия идут дискуссии по проектам строительства Туруханской ГЭС на Нижней Тунгуске, Катунской ГЭС в Горном Алтае. Мнение большинства ученых: строить эти ГЭС нецелесообразно. Анализ проекта строительства Туруханской ГЭС показал, что остается, например, неясным, что будет с подземными солеными озерами, которые попадают в район ложа водохранилища. Сейчас они скрыты вечной мерзлотой, которая после заполнения водохранилища может растаять, и соленые воды потекут в Енисей, убивая все живое. Для передачи энергии на дальние расстояния потребуются сверхмощные линии электропередачи, прокладка которых сложна и дорога. И таких проблем много.

Строительство Катунской ГЭС предполагается в одном из экологически чистых уголков Земли. Горный Алтай знаменит своими ландшафтами, кедровыми лесами, альпийскими лугами. Здесь обнаружено множество археологических памятников — стоянки древних людей, наскальная живопись. Ртутьсодержащие породы, попадающие в зону затопления, могут привести к превышению допустимых норм содержания ртути в воде, а также к нарушению водного баланса Оби. В 1989 г. Проект Катунской ГЭС был отклонен. Однако сейчас этот вопрос вновь стоит в повестке дня, хотя ясно, что для энергообеспечения таких уникальных районов должны рассматриваться альтернативные варианты.

Источники и последствия загрязнения гидросферы.

Вода сама по себе является главным богатством гидросферы, но кроме неё в этой оболочке Земли есть ещё много других не менее важных ресурсов. Океаны, которые покрывают 70,8 % земной поверхности и имеют среднюю глубину 3,96 км, представляют собой резервуар для многих растворимых веществ, вынесенных из горных пород и почв континентов, а также содержащихся в газах подводных вулканов. Солёность морской воды составляет 3,5 %. Натрий и хлор, образующие обычную соль, являются самыми распространёнными; вместе с магнием, серой, кальцием и калием они составляют 99,5 % всех растворённых веществ[10]:

Элементы Содержание, % Элементы Содержание, %

Хлор 55,07 Бром 0,19

Натрий 30,62 Углерод 0,08

Магний 3,68 Стронций 0,02

Сера 2,73 Бор 0,01

Кальций 1,18 Калий 1,10
Каждый кубический километр морской воды содержит значительные количества ещё 64 элементов, например, в одном таком кубе содержится в среднем по 2000 кг цинка и меди, 800 кг олова, 280 кг серебра и 11 кг золота. Вся масса золота, содержащегося в водах Мирового океана, составляет 10 млрд. т — в несколько раз больше исчисляемых запасов всех цветных металлов на континентах; урана в морских и океанических водах содержится около 4 млрд. т [11].

Несмотря на то, что в морской воде содержатся все элементы, из которых состоят горные породы, только четыре из них могут добываться с экономической выгодой в значительных количествах: это натрий и хлор (извлекаемые в виде поваренной соли), магний и бром. В настоящее время из морской воды получают треть мирового производства соли, 61 % металлического магния, 70 % брома.

Полезные ископаемые мирового океана могут также располагаться в прибрежных россыпях, на морском дне и в морских недрах. Особое значение сейчас приобретают запасы полезных ископаемых, расположенные на шельфе — мелководной платформе или террасе, окаймляющей континенты и занимающей 7,5 % водной поверхности Мирового океана. На шельфе скапливается огромная масса осадочных пород и происходит концентрация различных полезных ископаемых. Начиная с 60-х годов нашего столетия, началось интенсивное изучение и освоение минеральных богатств шельфа. На шельфе открыто и эксплуатируется значительное количество месторождений нефти и газа; ведутся разработки месторождений твёрдых полезных ископаемых — магнетитовых и титаномагнетитовых песков, россыпного золота и платины, редкоземельных элементов, меди, серы, марганца, олова, никеля, кобальта, фосфоритов, алмазов и др. В Японии подводная разработка угольных месторождений обеспечивает более 20 % всей добычи угля, в Англии — 10 %.

На больших глубинах огромные территории дна Тихого, Индийского и Атлантического океанов покрыты железомарганцевыми конкрециями (рудными скоплениями), общая их масса ориентировочно только в Тихом океане определена в 1500 млрд. т; прогнозные запасы меди, никеля и кобальта составляют 20-25 млрд. т. Разведанные скопления конкреций содержат в 20 раз больше кобальта, в 90 — никеля и в 42 раза — марганца, чем во всех известных месторождениях континентов. Японские исследователи утверждают, что уже к началу ХХI столетия добыча конкреций может удовлетворить потребности в кобальте на 50, а в марганце на 18 %, а также то, что за счёт конкреций морских месторождений человечество может удовлетворить свои потребности в меди на 3, никеля на 70, марганца на 140, кобальта на 420 тыс. лет [11].

В глубоководных зонах на дне океанов залегают диатомовые и глобигериновые илы и красная глина; первые содержат огромные количества кальция и кремнезёма, красная глина на 25 % состоит из оксида алюминия. На дне Красного моря в глубоких разломах обнаружены скопления ила, богатого серебром, цинком, медью и др. металлами; в Судане и Саудовской Аравии, у берегов которых на глубине до 2000 м открыто 18 таких месторождений.

Таблица 2.

Содержание некоторых химических элементов в 1 км3 средней
континентальной коры и в средней морской воде (в тоннах)

 

Элемент

В средней континентальной коре

В средней морской воде

Натрий

69000000

11020000

Калий

51000000

396000

Хлор

5700000

19800000

Марганец

1809000

1,9

Цинк

170000

2,0

Хром

130000

0,2

Бром

120000

68000

Никель

100000

2,0

Медь

86000

2,0

Кобальт

32000

0,05

Уран

7800

3,3

Олово

5700

0,8

Серебро

160

0,3

Золото

5

0,01

 

Потенциальные ресурсы морей и океанов огромны, но не могут интенсивно использоваться пока не будут найдены специфические реакции, позволяющие выделять только определенный элемент или группу элементов. В противном случае технологический процесс будет дорогостоящим из-за его высокой энергоёмкости и нецелесообразным, если не смогут рационально использоваться те большие объёмы попутных материалов, которые получатся в результате. Кроме того, низкие концентрации большинства элементов в морской воде делают задачу их извлечения слишком трудной из-за необходимости перерабатывать большое количество воды.

В табл. 2. приведены данные о содержании некоторых химических элементов в континентальной коре и в морской воде. Континентальная кора — твёрдая оболочка Земли, выступающая над уровнем океана [10].

Практически все элементы более широко распространены в континентальной коре. Данные таблицы позволяют предполагать, что если когда-нибудь мы действительно исчерпаем месторождения суши и должны будем перейти на ресурсы либо в обычных горных породах, либо в морской воде, то выбор, вероятно, будет сделан в пользу извлечения элементов из горных пород суши.

 

 

Список литературы.

 

1. Вернадский В.И. Биосфера (Избранные труды по биогеохимии). — М.: Мысль, 2007. — 376 с.

2. Галимов Э.М. Проблемы геохимии углерода. — Геохимия, 2005, N2, с. 258-278.

3. Одум Ю. Экология. в 2-х томах. — М.: Мир, 2010. т. 1 — 328 с., т. 2- — 376 с.

4. Иоганзен Б.Г., Лаптев И.П. Основные этапы эволюции биосферы. — Кемерово: Кем. обл. Объед. Пед. об-ва РСФСР, 2010. — 36 с.

5. Иоганзен Б.Г., Лаптев И.П. Экология, биоценология и охрана природы. — Томск: Изд. ТГУ, 2009. — 256 с.

6. Миллер Т. Жизнь в окружающей среде. — М.: Прогресс — Пангея, 2008, т.1 — 253 с.

7. Атомная энергетика — перспективное направление развития энергетики // Атом-ревю. – 2011. — N3. — С. 5-8.

8. Ольсевич Ю.Я., Гудков А.А. Критика экологической критики. — М.: Мысль, 2012. — 214 с.

9. Яншин А.Л., Мелуа А.И. Уроки экологических просчётов. — М.: Мысль, 2010. — 430 с.

10. Скиннер Б. Хватит ли человечеству земных ресурсов? — М.: Мир, 2010. — 264 с.

11. Охрана окружающей среды / С.А. Брылов, Л.Г. Грабчак, В.И. Комащенко и др., Под ред. С.А. Брылова и К. Штродки. — М.: Высш. шк., 2012. — 272 с.