Основные принципы устройства биосферы

Основные принципы устройства биосферы.

Биосфера – совокупность всех живых организмов вместе со средой обитания. Среда обитания включает воду, нижнюю часть атмосферы и  верхнюю часть земной коры. Живые  и неживые вещества биосферы находятся  в непрерывном взаимодействии и единстве, образуя целостную систему. Многолетняя работа В. И. Вернадского над проблемами взаимодействия живой материи и геохимических процессов на Земле была завершена созданием учения о биосфере, основными положениями которого являются следующие.

1. Целостность биосферы  определяется самосогласованностью  всех процессов в биосфере, ограниченных  физическими константами, уровнем  радиации и пр.

2. Земные законы движения  атомов, преобразования энергии  являются отражением гармонии  космоса, обеспечивая гармонию и организованность биосферы. Солнце как основной источник энергии биосферы регулирует жизненные процессы на Земле.

3. Живое вещество биосферы  с древнейших геологических времен  активно трансформирует солнечную  энергию в энергию химических  связей сложных органических веществ. При этом сущность живого постоянна, изменяется лишь форма существования живого вещества. Само живое вещество не является случайным созданием, а есть результат превращения солнечной световой энергии в действительную энергию Земли.

4. Чем мельче организмы,  тем с большей скоростью они  размножаются. Скорость размножения  зависит от плотности живого  вещества. Растекание жизни –  результат проявления ее геохимической  энергии.

5. Автотрофные организмы  получают все необходимые для  жизни вещества из окружающей косной материи. Для жизни гетеротрофов необходимы готовые органические соединения. Распространение фотосинтезирующих организмов (автотрофов) ограничивается возможностью проникновения солнечной энергии.

6. Активная трансформация  живым веществом космической энергии сопровождается стремлением к максимальной экспансии, стремлением к заполонению всего возможного пространства. Этот процесс В. И. Вернадский назвал «давлением жизни».

7. Формами нахождения  химических элементов являются  горные породы, минералы, магма, рассеянные элементы и живое вещество. В земной коре происходят постоянные превращения веществ, круговороты, движение атомов и молекул.

8. Распространение жизни  на нашей планете определяется  полем устойчивости зеленых растений. Максимальное поле жизни ограничивается крайними пределами выживания организмов, которое зависит от устойчивости химических соединений, составляющих живое вещество, к определенным условиям среды.

9. Количество живого  вещества в биосфере постоянно  и соответствует количеству газов в атмосфере, прежде всего кислорода.

10. Всякая система достигает  устойчивого равновесия, при котором  свободная энергия системы приближается  к нулю.

Особое место в трудах В. И. Вернадского занимает концепция  эволюции биосферы. Он выделяет три этапа развития биосферы. Первый – возникновение первичной биосферы с биотическим круговоротом веществ. Ведущие факторы на этом этапе – геологические и климатические изменения на Земле. Второй этап – усложнение структуры биосферы в результате появления одноклеточных и многоклеточных эукариотных организмов. Движущим фактором выступает биологическая эволюция. И, наконец, третий этап – возникновение человеческого общества и постепенное превращение биосферы в ноосферу. Ведущим фактором в этом процессе является разумная деятельность человека, характеризующаяся рациональным регулированием взаимоотношений человека и природы.

Таким образом, основные принципы естественного устройства биосферы можно кратко изложить в  следующих тезисах: биосфера использует внешние источники энергии (солнечный свет и энергию радиоактивного разогрева земных недр). Это позволяет упорядочивать структуру биосферы, усложнять ее организацию, эффективно использовать свободную энергию, не вызывая загрязнения окружающей среды. Постоянный приток определенного количества энергии, ее использование и рассеяние в виде тепла создало эволюционно сложившийся тепловой баланс в биосфере. Биосфера использует вещество, в основном, в форме круговоротов. Биогеохимические циклы элементов отработаны эволюционно и не приводят к накоплению вредных отходов. В биосфере преимущественно используются легкие (биогенные) элементы. В биосфере существует огромное многообразие видов и биологических сообществ. Конкурентные и хищнические отношения между видами способствуют установлению равновесия между отдельными видами, при этом практически отсутствуют доминирующие виды с чрезмерной численностью, что обеспечивает защиту биосферы от чрезмерной опасности со стороны внутренних факторов.

Человек издавна рассматривал окружающую среду в основном как источник ресурсов. Стремясь достигнуть независимости от природы, улучшить условия жизни, человек наращивает темпы материального производства. При этом большая часть взятых от природы ресурсов возвращается ей в виде отходов, что ставит под угрозу существование, как биосферы, так и человека.

Рост хозяйственной  деятельности человека приобретает  такие масштабы, когда нарушаются основные принципы естественного устройства биосферы: энергетический баланс, сложившийся  круговорот веществ, сокращение многообразия видов и биологических сообществ.

Это есть основные причины  экологического кризиса.

Водообеспеченность  населения.

Общий объем воды на Земле (включая соленую, солоноватую и  др.) составляет по примерным оценкам  около 1400 млн. км3. При этом две трети от этого объема перманентно находится в твердом состоянии, хотя эта доля уменьшается по причине глобального потепления. Несмотря на то, что вода является самым распространенным веществом на Земле, лишь 2,5% (35 млн. км3) ее является пресной.

Примерно половина континентальной воды (60 млн. км3) расположена на глубине десятков и сотен метров от поверхности. Несколько меньше воды – около 50 млн. км3 – сосредоточено в верхних слоях земной поверхности, на глубине нескольких метров и в почве. Еще меньше – около 20 млн. км3 воды – в форме ледников покрывает Антарктиду, Гренландию, острова Ледовитого океана и вершины горных хребтов. Вода, возможная для потребления человеком, в основном находится в озерах (750 тыс. км3), в атмосфере – в виде пара и облаков (13 тыс. км3) и лишь около 1 тыс. км3 – в реках. Эксплуатационная часть этих ресурсов составляет около 200 тыс. км3, т.е. менее 1% всех запасов пресной воды и 0,01% всей воды на Земле.

Разница между количеством  осадков (119 тыс. км3/год), выпадающих на сушу, и испарением с ее поверхности (72 тыс. км3/год) приходится на сток и пополнение запасов грунтовых вод (47 тыс. км3/год).

Основные среднемноголетние  характеристики возобновления ресурсов пресной воды в мире, России и  ряде зарубежных стран представлены в табл. 1.1.

Таблица 1.1. Основные среднемноголетние  характеристики возобновления ресурсов пресной воды в мире, России и  ряде зарубежных стран, км3/год

1. По европейским странам  – данные Евростата, по России  – данные Росводресурсов, по остальным странам – оценки Института мировых ресурсов за последний год, по которому имеются данные.

2. Объем воды, поступивший  с поверхности земли в атмосферу  в результате испарения или  транспирации растений.

3. Общий объем природного  речного стока и естественное восполнение ресурсов подземных вод, формирующихся только за счет осадков, выпавших на данной территории.

4. Общий объем притока  речной воды и подземных вод  с территорий других государств.

5. Общий объем оттока  речной воды и подземных вод в результате впадения в море и поступления на территории других государств.

Распределение водных ресурсов в мире отличается значительным дисбалансом (табл. 1.2, рис. 1.1).

Таблица 1.2. Региональная доступность водных ресурсов, % от мирового показателя

По запасам на Россию приходится более 20% мировых ресурсов пресных вод (без учета ледников и подземных вод). Среди шести стран мира, обладающих наибольшим речным стоком (Бразилия, Россия, Канада, США, Китай, Индия) по абсолютной величине Россия занимает второе место в мире после Бразилии, по водообеспеченности на душу населения – третье (после Бразилии и Канады). В расчете объема пресной воды на одного жителя России приходится около 30 тыс. м3 речного стока в год. Это примерно в 5,5 раза больше среднемирового уровня, в 2,5 раза больше, чем в США и в 14 раз больше, чем в Китае.

Таблица 1.3. Общий объем ресурсов пресной воды в ряде стран Европы, км3/год

Однако не весь указанный  объем пресной воды подвергается регулярному перераспределению. Определенная часть находится в статическом (вековом) виде, который значительно замедляет круговорот (перемещение) пресной воды. В количественном отношении водные ресурсы России представлены в табл. 1.4.

Таблица 1.4. Суммарные  водные ресурсы России

Статические (вековые) запасы водных ресурсов на территории России, большая часть которых сосредоточена  в озерах (26,5 тыс. км3) и подземных (28,0 тыс. км3) водах, составляют в целом 88,9 тыс. км3/год. В ледниках сосредоточено около 18 тыс. км3 льда, в котором законсервировано более 15 тыс. км3 статических запасов пресной воды.

Возобновляемые водные ресурсы, оцениваемые объемом годового стока рек, на территории России составляют 10% мирового речного стока. Разведанные месторождения подземных вод располагают суммарными эксплуатационными запасами более чем в 30 км3/год (потенциальные эксплуатационные ресурсы подземных вод, относящихся к данной категории, превышают 300 км3/год).

Таким образом, суммарные  возобновляемые ресурсы пресных вод России оцениваются в размере 10803 км3/год, основной объем которых приходится на долю речного стока (45%) и почвенные воды (33%). За последние 15-20 лет в целом по России удельная водообеспеченность (на одного жителя) заметно увеличилась, в том числе за счет уменьшения численности населения. Однако главный недостаток российских водных ресурсов – их неравномерное распределение по территории страны, не согласующееся с реальными потребностями в пресной воде – сохранился. Во многих регионах России имеются серьезные проблемы с водообеспечением из-за указанного неравномерного распределения, очень большой их временной изменчивости (особенно в южных районах), высокой степени загрязнения. По величине местных водных ресурсов Южный и Дальневосточный федеральные округа России различаются почти в 30 раз, а по водообеспеченности населения примерно в 100.

Среди субъектов Российской Федерации наибольшие суммарные  водные ресурсы имеются в Красноярском крае и Республике Саха (Якутия) –  соответственно 947 и 896 кмЗ/год, наименьшие – в Республике Калмыкии, Белгородской, Курганской и Курской областях (соответственно 1,83; 2,72; 3,52 и 3,70 км3/год); еще в 10 областях и республиках водные ресурсы не превышают 8 км3/год.

Предварительные результаты исследования, полученные в последние годы российскими и зарубежными учеными с использованием различных климатических сценариев и гидрологических моделей, показывают, что на преобладающей части территории России в первой половине XXI в. следует ожидать увеличения водных ресурсов и уменьшения их внутригодовой неравномерности. В частности, ожидается увеличение стока в бассейнах Волги и северных рек, прогнозируется рост притока речных вод с российской территории в Северный Ледовитый океан до 10-20%. В тоже время в южных регионах, в бассейнах Дона и Днепра и на прилегающих территориях, имеющих и в настоящее время ограниченные водные ресурсы, вполне вероятно их значительное уменьшение из-за изменения климата.

Материальное  стимулирование природоохранной деятельности.

Разгосударствление подавляющего большинства предприятий, создание различных форм собственности, включая частную, не привели в целом по России к существенному снижению сбросов и выбросов загрязняющих веществ.

В настоящее время  в России реализуется экономический  механизм охраны окружающей природной среды, соответствующий критериям переходного периода к рыночной экономике. Главная его особенность состоит в ориентации не на плановое централизованное финансирование природоохранной деятельности, а в основном на экономические методы его регулирования и стимулирования. При этом внедряются новые экономические стимулы: плата за пользование природными ресурсами, плата за загрязнение окружающей природной среды, экологические фонды, экологические льготы, экологическое страхование и др. Закон РФ «Об охране окружающей природной среды» определил основные задачи экономического механизма природоохранной деятельности в России:

1) установление лимитов  использования природных ресурсов, выбросов и сбросов загрязняющих  веществ;

2) установление нормативов платы и размеров платежей за использование природных ресурсов, выбросы и сбросы загрязняющих веществ, размещение отходов и другие виды вредного воздействия;

3) внедрение комплекса  мер по экономическому стимулированию (поощрению) охраны окружающей природной среды;

4) реализация эффективной  системы штрафов за нарушение  природоохранного законодательства  и обязательного возмещения вреда,  причиненного окружающей среде  и здоровью человека.

Кроме того, применяется  материальное стимулирование природоохранной деятельности - обеспечение выгодности для природо-пользователей природоохранной деятельности. Материальное стимулирование предполагает применение не только мер поощрения, но и наказания.

Меры материального  поощрения:

1. установление налоговых льгот;
2. освобождение от налогообложения экологических фондов и природоохранного имущества;
3. применение поощрительных цен и надбавок на экологически чистую продукцию;

4) применение льготного  кредитования предприятий, эффективно  осуществляющих охрану окружающей  среды.

Меры материального  наказания:

1) введение специального  добавочного налогообложения экологически  вредной продукции и продукции,  выпускаемой с применением экологически  опасных технологий (т.е. такой  продукции, потребление или производство  которой опасно для здоровья людей и окружающей среды);

2) штрафы за экологические  правонарушения.

Классификация отходов. Перспективные методы переработки  промышленных отходов.

В процессе производства образуется большое количество отходов, которые при соответствующей  обработке могут быть вновь использованы как сырье для производства промышленной продукции. Все виды промышленных отходов делят на твердые и жидкие. Твердые – отходы металлов, дерева, пластмасс и других материалов, пыли минерального и органического происхождения от очистных сооружений в системах очистки газовых выбросов промышленных предприятий, а также промышленный мусор, состоящий из различных органических и минеральных веществ (резина, бумага, ткань, песок, шлак и т. п.). К жидким отходам относят осадки сточных вод после их обработки, а также шламы пылей минерального и органического происхождения в системах мокрой очистки газов.

Для полного использования  отходов в качестве вторичного сырья  разработана их промышленная классификация. Например, лом и отходы металлов по физическим признакам подразделяют на классы, по химическому составу – на группы и марки, по показателям качества – на сорта (ГОСТ 1639-78*).

Основными направлениями  ликвидации и переработки твердых  промышленных отходов (кроме металлоотходов) являются вывоз и захоронение на полигонах, сжигание, складирование и хранение на территории промышленного предприятия до появления новой технологии переработки их в полезные продукты (сырье).

Рассматривая методы очистки, следует учитывать, что  наряду с очищенной средой (водой, почвой, воздухом) имеется определенный «остаток» с высоким содержанием различных веществ. Эти концентрированные среды должны быть переработаны. Их необходимо либо утилизировать, либо перевести в твердое состояние и использовать, либо захоронить. Под утилизацией отходов следует понимать их комплексную переработку с целью получения полезной продукции, то есть утилизация отходов является основным звеном в ресурсосберегающей технологии.

Методы утилизации основаны на физико-химических исследованиях свойств и структуры отходов, позволяющих определить принципиальную возможность (или невозможность) их использования в том или ином производстве.

 Например, утилизация  использованной для дистилляции  воды («остатка») дает возможность  получить хлорид кальция, поваренную соль, известковую муку, строительную известь, сухой молотый мел. Кислотный шлам служит сырьем для производства селена, используемого в приборостроительной, радиотехнической, медицинской промышленности. Шламы газопылеочистки используют для химической мелиорации кислых почв в сельском хозяйстве.

Строительство комбинированных  производств и технологических  установок по переработке отходов  целесообразно в промышленных районах  с большой потребностью в строительных материалах, изделиях и конструкциях. Например, методом катализированной кристаллизации стекла на основе доменных шлаков получают шлакоситаллы. Высокие физико-механические и физико-химические свойства шлакоситаллов, в первую очередь их износостойкость и химическая устойчивость, в сочетании с декоративностью делают их ценнейшим строительным материалом. Только в Москве шлакоситалл нашел применение при строительстве таких известных объектов, как аэропорт Шереметьево, универмаг «Москва», Центральный городской аэровокзал и др.

В США в результате анаэробной очистки вод животноводческого комплекса (500 голов свиней) за счет сжигания возникающего метана СН4 получают электроэнергию. Комплекс не только обеспечивает себя электроэнергией, но иногда в летнее время может даже продавать ее. Образующиеся после анаэробной очистки сточные воды можно использовать для биологической очистки и выращивания специальных одноклеточных водорослей типа хлореллы, которые в дальнейшем могут быть использованы на корм скоту. При этом цикл оказывается замкнутым.

В последнее время развивается новое направление — ускоренное обезвреживание отходов в течение одной — трех недель вместо традиционных нескольких месяцев. Суть метода — температурная активизация анаэробных процессов органических веществ с образованием подвижных форм хорошо усвояемого азота. При этом мусор преобразуется в гомогенную гумусированную массу, то есть в ценные азотные удобрения.

К сожалению, многие отходы пока не находят применения, поэтому  значительная часть неутилизируемых  отходов подлежит захоронению по разработанным правилам в грунтах или складирует на специально отведенных полигонах. Полигон представляет собой крупное предприятие с рядом лабораторий, контролирующих отходы.

Идеальная хозяйственная  деятельность человека должна строится по принципу природных экосистем, которые оптимально расходуют вещество и энергию и в которых отходы одних организмов служат средой обитания для других, то есть осуществляется кругооборот.

В последнее время  найдены новые возможности для  использования старых шин. Одна из них, особенно ценная в периоды роста цен на нефть,— пиролиз шин. При высокой температуре резина шин разлагается на горючий газ, жидкое горючее, сталь и сажу, а эти материалы могут быть полезными. Шины можно использовать и как горючее, например в цементной промышленности, где они заменяют дорогостоящее топливо. Старые шины пригодны и для многих других целей, например: для строительства дамб, из них можно делать основание дорог, шумозащитные стены вдоль шоссе. Их опускают связками в море, чтобы в качестве искусственных рифов они служили местом размножения рыб. Из старых шин получают гранулы резины, используемые для покрытия полов и сооружения беговых дорожек на стадионах, для прессования звукоизоляционных плит и резинотехнических изделий. Эти гранулы вводят в состав бетона и битума при строительстве дорог.

В большинстве случаев  отходы одного производства действительно являются сырьем для других производств. В России в настоящее время начата большая работа по систематизации отходов различных отраслей промышленности и по созданию так называемых «банков отходов», используемых для получения полезной продукции.

Например, на кафедре  «Экологии и безопасности жизнедеятельности» МТУСИ на основе отходов порошкообразного полиэтилена, высокого давления и отходов металлообработки в виде окалины получен композитный материал, который может применяться в качестве основы разнопрофильных нагревательных элементов бытового и промышленного назначения.

Технологии переработки промышленных отходов можно классифицировать следующим образом:

1. термические технологии;
2. физико-химические технологии;
3. биотехнологии.

Термические технологии применимы для утилизации любых видов твердых, растворимых, жидких и газообразных отходов. Продукты терморазложения подвергаются окислению, другим химическим взаимодействиям с образованием нетоксичных газообразных, жидких и твердых продуктов.

 Термические технологии дают мало твердых отходов и позволяют использовать вторичное тепло для коммунальных нужд производства и населенных пунктов.

Физико-химические технологии переработки отходов не обладают универсальностью, однако могут дать наивысший результат, используя отходы как сырье для получения полезного продукта. Примером является переработка резины. Физико-химическими методами некоторые виды промышленных отходов перерабатываются в удобрения, строительные и дорожные материалы, керамику и др. Это целое поле деятельности для «экологической промышленности».

К числу наиболее перспективных  технологий обезвреживания и переработки  отходов относится биотехнология. Биотехнология широко используется для производства белковых продуктов из древесины, нефтяных парафинов, метилового и этилового технических спиртов, природного газа и даже из водорода. Используя отходы сельского хозяйства: солому, отходы виноградарства, переработки пищевой промышленности и др., методами биотехнологии увеличивают содержание белка в них до 25% и получают корм для животных и птицы. Недостатком биотехнологических процессов является невысокая скорость протекания процессов, что сильно увеличивает капитальные вложения при сооружении промышленных объектов. Важнейшей задачей ученых является подбор микроорганизмов, бактерий, грибов для переработки конкретных отходов или композиций отходов.

Экономический механизм охраны окружающей природной  среды.

В состав экономического механизма входят:

• правила заключения договоров, выдача лицензий и установление лимитов на комплексное природопользование;
• платность природопользования;
• экономическое стимулирование охраны окружающей среды.

Договор, лицензия и лимиты на природопользование определяются законом следующим образом:

• договор на комплексное природопользование заключается между природопользователем и исполнительным органом власти края, области, автономной области, автономного округа, района, города на основе заключения экологической экспертизы на предполагаемую хозяйственную или иную деятельность и лицензии (разрешения) на комплексное природопользование;
• договор на комплексное природопользование предусматривает условия и порядок использования природных ресурсов, права и обязанности природопользователя, размеры платежей за пользование природными ресурсами, ответственность сторон и возмещение вреда, порядок разрешения споров.