Ирина Эланс

Автор который поможет с любыми образовательными и учебными заданиями

Техносфера

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

Весь ход истории цивилизации свидетельствует о том, что человек начал губить Землю гораздо раньше, чем пришел к мысли о необходимости ее беречь и охранять.

Никакое общество не может развиваться без потребления. Для удовлетворения своих потребностей люди организуют хозяйственную деятельность, основой которой является производство, и при любом общественном строе неизбежно возникают противоречия между человеком и природой, между производством и естественными экологическими системами. Разница лишь в глубине этих противоречий и возможностях их разрешения. Такова диалектика взаимодействия общества и природы.

Численность населения Земли быстро возрастает, и все более высокими темпами растут потребности людей. Удовлетворить эти потребности можно только за счет роста производства, что на современном уровне развития цивилизации невозможно без использования природы и ее разнообразных ресурсов. Ежегодно человечество отбирает у природы десятки миллиардов тонн природного вещества – это уголь и руда, нефть и газ, древесина и различные строительные материалы, водные и продовольственные ресурсы, кислород и т.п.

Сегодня огромное количество антропогенных источников обусловливают не свойственные природе потоки вещества и энергии различной мощности. Человек все активнее превращает планету в геотехническую систему, изменяя природные экологические системы, что ведет к утрате способности самовосстановления жизненно важных функций объектов биосферы. В результате многие экосистемы обрекаются на гибель. Особенно уязвимы лесные экосистемы, акватории малых и больших рек, прибрежные территории северных и восточных морей.

Все более интенсивно используются природные ресурсы, включая ресурсы Мирового океана. Значительные территории ранее нетронутой природы, сельскохозяйственных и лесных угодий отводятся под промышленные предприятия, водохранилища, горные выработки, автодороги, магистральные и промысловые трубопроводы, линии электропередач, аэропорты, населенные пункты и особенно города. Еще в начале прошлого века в городах проживало лишь 10% населения Земли, а ныне доля горожан составляет более 50%.

Все это многократно усиливает отрицательное воздействие производства на окружающую природную среду. Ее загрязнение во многих районах мира угрожает устойчивости экологических систем и здоровью людей. Мировое хозяйство ежегодно выбрасывает только в атмосферу 200 млн т оксида углерода, более 50 млн т углеводородов, 120 млн т золы, 150 млн т диоксида серы, большое количество оксидов азота, фтористых соединений, ртути и других токсичных веществ.

Загрязнение атмосферного воздуха сопровождается массовой гибелью лесов – легких планеты, снижением численности представителей фауны и исчезновением ряда ее видов, снижением урожайности сельскохозяйственных культур, потерей рыбопродуктивности водоемов, наносит урон здоровью людей. Общий экономический ущерб при этом исчисляется каждый год десятками миллиардов долларов.

Отрицательное воздействие на окружающую среду обусловлено не только нерациональной структурой производства, но и несовершенством технологических процессов. Из огромного количества вещества, изымаемого людьми из природной среды для целей производства, основная масса переходит в производственные и бытовые отходы.

Перед фактом прогрессирующей экологической деградации стоят сегодня практически все страны. Ухудшающаяся экологическая обстановка на планете свидетельствует о неадекватности мер, предпринимаемых мировым сообществом по защите окружающей среды, ресурсосбережению и рациональному природопользованию во всех сферах хозяйственной деятельности. Объем промышленной продукции на Земле ныне удваивается почти каждые 10 лет. При этом общемировой коэффициент экологически полезного действия в сфере материального производства сегодня не превышает 2%, а стремление к снижению себестоимости продукции достигается исключительно за счет резкого ухудшения качества среды обитания, а значит, ценой здоровья и жизни людей.

Перед человечеством неотвратимо встает задача разумного, рационального природопользования, сочетания потребностей людей с охраной и воспроизводством природной среды. Способы и средства достижения экологически разумного компромисса между человеком и природой и призвана определить инженерная экология – сравнительно новое направление экологической науки. Одна из основных ее задач – создание методов и средств формирования и управления природно-техническими геосистемами (ПТГ), которые обеспечивали бы их функционирование, не нарушая механизмов саморегуляции объектов биосферы и естественного баланса геосфер. Решение такой задачи возможно только при системном подходе ко всем сферам материального производства.

1 Техносфера

Резкое увеличение антропогенного давления на природу привело к нарушению экологического равновесия и вызвало деградацию не только среды обитания, но и здоровья людей. Биосфера постепенно утратила свое господствующее значение и в населенных регионах стала превращаться в техносферу.

Биосфера — область распространения жизни на Земле, включающая нижний слой атмосферы высотой 12–15 км, всю водную среду планеты (гидросферу) и верхнюю часть земной коры (литосферу глубиной 2–3 км). Верхняя граница биосферы находится на высоте 15–20 км от поверхности Земли в стратосфере. Активная техногенная деятельность человека привела к разрушению биосферы во многих регионах планеты и созданию нового типа среды обитания — техносферы.

Техносфера — объект планетарной экологии, состоящий из элементов биосферы, гидросферы и т. д. (экосферы), которые претерпели антропогенные изменения либо созданы в результате сознательной деятельности человека.

Рисунок 1.1 - Взаимодействие человека, техносферы и биосферы

Техносфера пришла на смену биосфере и в результате на планете осталось мало территорий с ненарушенными экосистемами. В наибольшей степени экосистемы разрушены в развитых странах — Европе, Северной Америке, Японии. Естественные экосистемы сохранились здесь на небольших площадях, которые окружены со всех сторон территориями, нарушенными деятельностью человека. Поэтому сохранившиеся относительно небольшие пятна биосферы подвержены сильному техносферному давлению.

Развитие техносферы в ХХ в. имело исключительно высокие темпы по сравнению с предыдущими столетиями. Это привело к двум диаметрально противоположным последствиям. С одной стороны, были достигнуты выдающиеся результаты в науке и различных отраслях промышленности, что оказало позитивное влияние на все сферы жизнедеятельности. С другой — были созданы невиданные ранее потенциальные и реальные угрозы человеку, сформированным им объектам и среде обитания. Создавая техносферу, человек стремился к повышению комфортности среды обитания, обеспечению защиты от естественных негативных воздействий. Все это благоприятно отразилось на условиях жизни и в совокупности с другими факторами сказалось на качестве и продолжительности жизни. Однако, созданная руками человека техносфера не оправдала во многом надежды людей.

К новым, техносферным относятся условия обитания человека в городах и промышленных центрах, производственные и бытовые условия жизнедеятельности. Практически все урбанизированное население проживает в техносфере, где условия обитания существенно отличаются от биосферных, прежде всего повышенным влиянием на человека техногенных негативных факторов. Соответственно изменяется соотношение между природными и техногенными опасностями, доля техногенных опасностей возрастает.

Одним из источников экологических бедствий являются техногенные аварии и катастрофы, так как при них, как правило, происходят наиболее значительные выбросы и разливы загрязняющих веществ. Зонами наиболее высокого риска загрязнения окружающей среды вследствие техногенных аварий и катастроф являются промышленные районы, а также крупные города и мегаполисы. Крупнейшие аварии и катастрофы наряду с гибелью людей, огромным материальным ущербом, как правило, причиняли невосполнимый ущерб окружающей природной среде, экологическим системам ряда регионов и территорий. Экологические последствия техногенных аварий могут проявляться годами, десятками и даже сотнями лет. Они могут быть разнообразными и многогранными. Особенно опасными являются аварии на радиационно опасных объектах.

Появление в биосфере новых компонентов, вызванных хозяйственной деятельностью человека, характеризуется термином “антропогенное загрязнение”, под которым понимают побочные отходы, образующиеся в результате хозяйственной деятельности человека (общества), которые при попадании в окружающую природную среду изменяют или разрушают ее биотические и абиотические свойства. Окружающая среда загрязнена огромным количеством промышленных отходов, обладающих токсичностью, а также способностью накапливаться в организме человека или пищевых цепях.

При создании объектов техносферы происходит форсирование естественных процессов, протекающих в объектах экологии. В качестве примера можно привести влияние на среду профиля города и рельефа литосферы, изображенных на рисунке 1.2.

здесь

или,

Рисунок 1.2 - Влияние техносферы на окружающую среду.

Здесь γ^t_T - коэффициент влияния на среду объекта тех носферы соответствует γ^t_L - коэффициенту влияния на среду объекта литосферы:

Это соответствие подтверждается законом коммутативности. Другими словами, человек воздействует на среду в копоткий промежуток времени в той степени, которую природа создает в течение многих столетий и даже тысячелетий (рисунок 1.3).

Рисунок 1.3 - Инженерная экология и управление техносферой.

Научно-технический прогресс (создание новых объектов техносферы, новые технологии и т. п.) требует постоянного совершенствования принципов, форм и методов управления.

Чрезвычайно острой становится проблема нарушения экологического равновесия из-за всего возрастающего количества отходов производства. Нарушается самоочищающая функция биосферы. Однако безводные, маловодные и замкнутые циклы, безотходные технологии с рециркуляцией сырья и материалов, техпроцессы, собирающие отходы и осуществляющие их утилизацию, нейтрализацию, консервацию и т. п., создают новые возможности для сохранения и восстановления природной среды.

2 Глобальные последствия загрязнения атмосферы

Загрязнение атмосферного воздуха воздействует на здоровье человека и на окружающую природную среду различными способами — от прямой и немедленной угрозы (смог и др.) до медленного и постепенного разрушения различных систем жизнеобеспечения организма. Во многих случаях загрязнение воздушной среды нарушает структурные компоненты экосистемы до такой степени, что регуляторные процессы не в состоянии вернуть их в первоначальное состояние и в результате механизм гомеостаза не срабатывает.

2.1 Изменение климата Земли

Изменения климата обусловлены переменами в земной атмосфере, процессами, происходящими в других частях Земли, таких как океаны, ледники, а также эффектами, сопутствующими деятельности человека. Внешние процессы, формирующие климат, — это изменения солнечной радиации и орбиты Земли.

изменение светимости солнца,
изменения параметров орбиты Земли,
изменение прозрачности атмосферы и ее состава в результате изменений вулканической активности Земли,
изменение концентрации парниковых газов (СО2 и CH4) в атмосфере,
изменение отражательной способности поверхности Земли (альбедо),
изменение количества тепла, имеющегося в глубинах океана.

Принято считать, что парниковые газы являются главной причиной глобального потепления. Парниковые газы имеют также значение для понимания климатической истории Земли. Согласно исследованиям, парниковый эффект, возникающий в результате нагревания атмосферы тепловой энергией, удерживаемой парниковыми газами, является ключевым процессом, регулирующим температуру Земли.

Чтобы предотвратить резкое потепление в ближайшие годы, концентрация углекислоты должна быть снижена до уровня, существовавшего до индустриальной эпохи - до 350 частей на миллион (0,035%) (сейчас - 385 частей на миллион и увеличивается на 2 миллионные доли (0,0002%) в год, в основном из-за сжигания ископаемого топлива и вырубки лесов).

Ученым уже давно известны способы приостановления или даже прекращения массовых вырубок леса. Ещё в начале прошлого века американские исследователи прогнозировали, что выращивание конопли в промышленных масштабах способно остановить вырубку лесов, потому что урожай конопли с 10 тысяч гектаров пашни даёт столько же бумаги, сколько и лес, поваленный на площади 40 тысяч гектаров. Это связано с тем, что один гектар конопли даёт 5-6 кубометров древесины в год, а один гектар лесных угодьев – вдвое меньше.

Имеется скептическое отношение к геоинженерным методам изъятия углекислоты из атмосферы, в частности, к предложениям захоранивать углекислый газ в тектонических трещинах или закачивать его в породы на океанском дне: изъятие 50 миллионных долей газа по этой технологии будет стоить, по меньшей мере, 20 триллионов долларов, что в два раза больше национального долга США.

Существенное влияние на климат оказывает землепользование. Орошение, вырубка лесов и сельское хозяйство коренным образом меняют окружающую среду. Например, на орошаемой территории изменяется водный баланс. Землепользование может изменить альбедо отдельно взятой территории, поскольку изменяет свойства подстилающей поверхности и тем самым количество поглощаемого солнечного излучения. Например, есть причины предполагать, что климат Греции и других средиземноморских стран поменялся из-за масштабной вырубки лесов между 700 лет до н. э. и началом н. э. (древесина использовалась для строительства, кораблестроения и в качестве топлива), став более жарким и сухим, а те виды деревьев, которые использовались в кораблестроении, не растут больше на этой территории.

2.2 Нарушение озонового слоя

Озоновый слой (озоносфера) охватывает весь земной шар и располагается на высотах от 10 до 50 км с максимальной концентрацией озона на высоте 20—25 км. Насыщенность атмосферы озоном постоянно меняется в любой части планеты, достигая максимума весной в приполярной области.

Впервые истощение озонового слоя привлекло внимание широкой общественности в 1985 г., когда над Антарктидой было обнаружено пространство с пониженным (до 50%) содержанием озона, получившее название “озоновой дыры”. С тех пор результаты измерений подтверждают повсеместное уменьшение озонового слоя практически на всей планете. Так, например, в России за последние десять лет концентрация озонового слоя снизилась на 4—6% в зимнее время и на 3 % — в летнее. В настоящее время истощение озонового слоя признано всеми как серьезная угроза глобальной экологической безопасности. Снижение концентрации озона ослабляет способность атмосферы защищать все живое на Земле от жесткого ультрафиолетового излучения (УФ-радиация). Живые организмы весьма уязвимы для ультрафиолетового излучения, ибо энергии даже одного фотона из этих лучей достаточно, чтобы разрушить химические связи в большинстве органических молекул. Не случайно, поэтому в районах с пониженным содержанием озона многочисленны солнечные ожоги, наблюдается увеличение заболевания людей раком кожи и др. Так, например, по мнению ряда ученых-экологов, к 2030 г. в России при сохранении нынешних темпов истощения озонового слоя заболеют раком кожи дополнительно 6 млн. человек. Кроме кожных заболеваний возможно развитие глазных болезней (катаракта и др.), подавление иммунной системы и т. д.

Установлено также, что растения под влиянием сильного ультрафиолетового излучения постепенно теряют свою способность к фотосинтезу, а нарушение жизнедеятельности планктона приводит к разрыву трофических цепей биоты водных экосистем, и т. д.

Наука еще до конца не установила, каковы же основные процессы, нарушающие озоновый слой. Предполагается как естественное, так и антропогенное происхождение “озоновых дыр”. Последнее, по мнению большинства ученых, более вероятно и связано с повышенным содержанием хлорфторуглеродов (фреонов). Фреоны широко применяются в промышленном производстве и в быту (хладоагрегаты, растворители, распылители, аэрозольные упаковки и др.). Поднимаясь в атмосферу, фреоны разлагаются с выделением оксида хлора, губительно действующего на молекулы озона.

По данным международной экологической организации “Гринпис”, основными поставщиками хлорфторуглеродов (фреонов) являются США— 30,85%, Япония — 12,42%, Великобритания — 8,62% и Россия — 8,0%. США пробили в озоновом слое “дыру” площадью 7 млн. км², Япония — 3 млн. км², что в семь раз больше, чем площадь самой Японии. В последнее время в США и в ряде западных стран построены заводы по производству новых видов хладореагентов (гидрохлорфторуглеродов) с низким потенциалом разрушения озонового слоя.

Ряд ученых продолжают настаивать на естественном происхождении “озоновой дыры”. Причины ее возникновения одни видят в естественной изменчивости озоносферы, циклической активности Солнца, другие связывают эти процессы с рифто-генезом и дегазацией Земли.

2.3 Уровень радиации

Радиационное загрязнение окружающей среды может произойти при любом использовании ядерной энергии, как в мирных, так и в военных целях. Оно возникает в результате аварий на объектах, производящих или использующих радиоактивные материалы, при разработке радиоактивных руд, неправильном хранении радиоактивных отходов, а также при испытании и применении ядерного оружия.

Естественная радиоактивность, включая радоновую, вносит определенный вклад в уровень радиоактивного загрязнения территории Казахстана. Сами по себе природные очаги не опасны, но в действительности необходимо знать, из какого родника можно пить, из какого материала можно строить.

Из естественных источников наибольшую опасность представляет загрязнение радоном. Согласно оценке ООН, радон и продукты его распада составляют ¾ годовой индивидуальной эффективной дозы облучения, получаемой населением от земных источников радиации. Большую часть этой дозы человек получает от радионуклидов, попадающих в организм при дыхании, особенно в непроветриваемых помещениях.

Радон освобождается из земной коры повсеместно, но концентрация его в разных точках земного шара различна. Известны регионы, расположенные в Индии и Иране, с высоким уровнем земной радиации радона.

В Казахстане концентрация радона в закрытых помещениях в среднем в 6-8 раз выше, чем в атмосферном воздухе вне помещения. Главный источник радона в закрытых помещениях – грунт. Особенности грунта, тип строительных материалов существенно влияют на концентрацию радона в помещениях.

На территории Казахстана имеется ряд крупных урановорудных провинций и районов. Это Северо-Казахстанская, Бетпак-Далинская, Илийская, Прикаспийская провинции. Кроме того, выделяются массивы горных пород с высокой концентрацией естественных радионуклеидов (граниты, туфы и т.д.)

Уровень загрязнения радоном может быть снижен. В деревянных домах, как установлено исследованиями, уровень радонового загрязнения снижается в 2 раза, а в каменных домах – в 10 раз.

Наиболее тяжелое последствие радиационного поражения человека – острая лучевая болезнь, как правило, заканчивается смертью. Длительное, в течение ряда лет, облучение приводит к хронической лучевой болезни, снижению иммунитета организма, помутнению хрусталика глаза с полной или частичной утратой зрения, снижению функций щитовидной железы. Даже через много лет после облучения возможно возникновение мутаций (нарушений механизма наследственности) и других повреждений клеточных структур, которые служат причиной доброкачественных и злокачественных опухолей. С мутациями также связаны многочисленные врожденные нарушения и уродства, которые передаются по наследству.

Радиационная обстановка в Казахстане определяется не только естественным (природным) фоном, но и загрязнениями от последствий испытаний ядерного оружия, которое проводилось в 1950-1990 г.г. По некоторым данным было проведено 400 взрывов ядерного оружия, причем некоторые из них проводились на земной поверхности.

Основными источниками излучения при ядерном взрыве являются продукты деления, наведенная нейтронами активность, трансурановые элементы и тритий. Судьба радионуклидов, попавших в природную среду, зависит от их растворимости и биологической доступности. Смыв радионуклидов с поверхности происходит медленно, также медленно они поступают в растения через корневую систему.

Основная угроза радиационного загрязнения исходит от оставленных или брошенных объектов – таких на территории Казахстана выявлено более 100. Среди них Прикаспийский горно-металлургический комбинат в Актау, рудники Кокшетауской области и др. По данным президента АО ННК «Казатомпром» Мухтара Жакишева, уровень мощности радиационной дозы практически от всех 100 брошенных отвалов превышает предельно допустимый коэффициент более чем в 50 раз.

Известный радиоэколог, Рыспек Ибраев, выделил три округа, которые связаны с атомной промышленностью и радиационным загрязнением территории республики. Самый восточный округ – Сары-Арка. В этом округе расположен СИЯП – Семипалатинский испытательный ядерный полигон. Здесь находится также Ульбинский завод, где перерабатывается урановый концентрат.

Для оздоровления радиоэкологической ситуации на территории Казахстана необходимо выполнить следующие работы:

Завершить создание надежной правовой информационной базы.
Провести размещение на долговременное хранение отработанного топлива.
Осуществить рекультивацию и захоронение отходов урановой промышленности.

2.4 Ионный состав Мирового океана

Ионный состав морской воды - основной ионный состав морской воды; определяется концентрациями семи ионов: хлора, сульфатного, гидрокарбонатного, натрия, калия, магния, кальция.

Ежегодно в Мировой океан попадает более 10 млн. т нефти и до 20% его площади уже покрыты нефтяной пленкой. В первую очередь это связано с тем, что добыча нефти и газа в Мировом океане стала важнейшим компонентом нефтегазового комплекса. В 1993 году в океане добыто 850 млн. т нефти (почти 30% мировой добычи). В мире пробурено около 2500 скважин, из них 800 в США, 540 – в Юго-Восточной Азии, 400 – в Северном море, 150 – в Персидском заливе. Эти скважины пробурены на глубинах до 900 м.

Загрязнение гидросферы водным транспортом происходит по двум каналам. Во-первых, морские и речные суда загрязняют ее отходами, получаемыми в результате эксплуатационной деятельности, и, во-вторых, выбросами в случае аварий токсичных грузов, большей частью нефти и нефтепродуктов. Энергетические установки судов (в основном дизельные двигатели) постоянно загрязняют атмосферу, откуда токсичные вещества частично или почти полностью попадают в воды рек, морей и океанов.

Нефть и нефтепродукты являются главными загрязнителями водного бассейна. На танкерах, перевозящих нефть и ее производные, перед каждой очередной загрузкой, как правило, промываются емкости (танки) для удаления остатков ранее перевезенного груза. Промывочная вода, а с ней и остатки груза обычно сбрасываются за борт. Кроме того, после доставки нефтегрузов в порты назначения танкеры чаще всего направляются к пункту новой погрузки порожними. В этом случае для обеспечения надлежащей осадки и безопасности плавания танки судна наполняются балластной водой. Эта вода загрязняется нефтяными остатками, а перед погрузкой нефти и нефтепродуктов выливается в море. Из общего грузооборота мирового морского флота в настоящее время 49% падает на нефть и ее производные. Ежегодно около 6000 танкеров международных флотилий транспортируют 3 млрд. т нефти. По мере роста перевозок нефтегрузов все большее количество нефти стало попадать в океан при авариях.

Для предотвращения подобных катастроф разрабатываются двухкорпусные танкеры. При аварии, если будет поврежден один корпус, второй предотвратит попадание нефти в море.

Происходит загрязнение океана и другими видами отходов промышленности. Во все моря мира сброшено примерно 20 млрд. т мусора (1988 год). Подсчитано, что на 1 кв. км океана приходится в среднем 17 т отбросов. Зафиксировано, что за один день в Северное море было сброшено 98 тыс. т отбросов (1987 год).