Биотические факторы

1. 1. Биотические факторы.

Биотические факторы - (от греч. biotikos - жизненный), совокупность влияний, оказываемых на живые организмы деятельностью других организмов. Одни живые существа служат пищей для других, способствуют их размножению (насекомые-опылители) и расселению (перенос семян различными животными), оказывают химические воздействия (токсины бактерий, антибиотики, фитонциды), могут быть средой их обитания (например, хозяева для паразитов). Действие биотических факторов может быть и косвенным, например растения, почвенные микроорганизмы и животные могут изменять состав и структуру почвы и тем самым влиять на другие организмы. Действия биотических факторов, в наибольшей, отчётливой форме проявляются в природных сообществах организмов - биоценозах и в создаваемых человеком агробиоценозах (влияние сорных растений на урожайность сельско-хозяйственных культур, почвенной фауны на структуру почвы).

Классификация биотических взаимодействий:

1. Нейтрализм - ни одна  популяция не влияет на другую.

2. Конкуренция - это использование  ресурсов (пищи, воды, света, пространства) одним организмом, который тем  самым уменьшает доступность  этого ресурса для другого  организма.

Конкуренция бывает внутривидовая и межвидовая. Если численность популяции невелика, то внутривидовая конкуренция выражена слабо и ресурсы имеются в изобилии.

При высокой плотности популяции интенсивная внутривидовая конкуренция снижает наличие ресурсов до уровня, сдерживающего дальнейший рост, тем самым регулируется численность популяции. Межвидовая конкуренция - взаимодействие между популяциями, которое неблагоприятно сказывается на их росте и выживаемости. При завозе в Британию из Северной Америки каролинской белки уменьшилась численность обыкновенной белки, т.к. каролинская белка оказалась более конкурентоспособной. Конкуренция бывает прямая и косвенная. Прямая - это внутривидовая конкуренция, связанная с борьбой за место обитания, в частности защита индивидуальных участков у птиц или животных, выражающейся в прямых столкновениях.При недостатке ресурсов возможно поедание животных особей своего вида (волки, рыси, хищные клопы, пауки, крысы, щука, окунь). Косвенная - между кустарниками и травянистыми растениями в Калифорнии. Тот вид, который обосновался первым, исключает другой тип. Быстро растущие травы с глубокими корнями снижали содержание влаги в почве до уровня непригодного для кустарников. А высокой кустарник затенял травы, не давая им произрастать из-за нехватки света.

3. Паразитизм - один организм (паразит) живет за счет питания  тканями или соками другого  организма (хозяина), тесно связан  в своем жизненном цикле. Паразитов различают по месту обитания. 

А. Находятся на поверхности хозяина. Блохи, вши, клещи - животные. Тля, мучнистая роса - растения.

Б. У паразита имеются специальные приспособления (крючки, присоски) внутри хозяина. Вирусы, бактерии, примитивные грибы - растения. Глисты - животные.

Высокая плодовитость. Не приводят к гибели хозяина, но угнетают процессы жизнедеятельности.

4. Хищничество - поедание одного организма (жертвы) другим организмом (хищником). Хищники могут поедать травоядных животных, и также слабых хищников. Хищники обладают широким спектром питания, легко переключаются с одной добычи на другую более доступную. Хищники часто нападают на слабые жертвы.

Норка уничтожает больных и старых ондатр, а на взрослых особей не нападает. Поддерживается экологическое равновесие между популяциями жертва-хищник.

5. Симбиоз - сожительство двух организмов разных видов при котором организмы приносят друг другу пользу. По степени партнерства симбиоз бывает:

А. Комменсализм - один организм питается за счет другого, не нанося ему вреда.

Рак - актиния. Актиния прикрепляется к раковине, защищая его от врагов, и питается остатками пищи.

Б. Мутуализм - оба организма получают пользу, при этом они не могут существовать друг без друга.

Лишайник - гриб + водоросль. Гриб защищает водоросль, а водоросль кормит его. В естественных условиях один вид не приведет к уничтожению другого вида.

6. Кооперация. Раки-отшельники селятся в пустых раковинах моллюсков и возят их на себе вместе с коралловыми полипами - актиниями. Рак расширяет жизненное пространство актинии, необходимое ей для ловли добычи, и поедает часть жертв, пораженных стрекательными клетками полипа. Актиния защищает рака от хищников. Иногда к этому симбиозу присоединяется еще и многощетинковый червь. Обитая в раковине отшельника, он очищает ее и объедает паразитов с мягкого брюшка рака. Червю достается часть трапезы рака. Многощетинковые черви являются пищей раков, но "своего" червя рак не трогает, а нередко при смене раковины переносит его с собой.

Многие мелкие и крупные рыбы периодически приплывают к местам, где их уже ожидают креветки. Там они принимают характерную позу - ложатся на бок или открывают пасть. Креветки собирают паразитов с поверхности тела и во рту, выстригают омертвевшие ткани. Птицы смело садятся на копытных (оленей, лосей, коров) и питаются их паразитами (клещами) или выщипывают ставшую ненужной и обременительной зимнюю шерсть, используемую птицами при постройке гнезд.

Другой пример кооперации - взаимоотношения акул и рыб-лоцманов. Лоцманы перемещаются в спутном водном потоке акулы с большими скоростями при минимальных усилиях и питаются остатками трапезы хищников, их паразитами и экскрементами. Лоцманы "наводят" своих слабовидящих хозяев на добычу, и акулы их не трогают.

В перечисленных примерах кооперации полезность сосуществования организмов очевидна, но их связь не обязательна.

I. 2. Экологическая ниша

Экологическая ниша - место в биогеоценозе, которое занимает вид, не конкурируя с другими видами за источник энергии. По Ю.Одуму, если местообитание - это как бы адрес организмов данного вида, то экологическая ниша - это профессия, роль организма в месте его обитания. У растений экологическая ниша может включать в себя количество осадков, солнечного света и почвенных микроэлементов, необходимых для его роста. У животного-хищника к нише можно отнести климатические факторы, наличие подходящих жертв, количество эндемичных заболеваний в данной местности.

Природа очень экономна: даже два вида, занимающих одну и ту же экологическую нишу, не могут устойчиво сосуществовать. В конкурентной борьбе один вид вытеснит другой. Поэтому различные организмы используют среду разными способами, в сущности подразделяя местообитания. Например, на болоте сфагновые мхи часто образуют ковры из нескольких произрастающих вместе видов. Как им удается сосуществовать? Если тщательно проанализировать ситуацию, можно обнаружить полуводные виды, растущие по дну сырых понижений, мхи, занимающие более сухие места по склонам кочек и виды, выдерживающие наиболее сухие места на вершинах кочек, где они в конце концов замещаются одним или несколькими видами цветковых растений. Следовательно, хотя все эти мхи сосуществуют в том смысле, что присутствуют на одном и том же болоте, они фактически занимают разные экологические ниши. Копытные африканских саванн также занимают различные экологические ниши: зебры поедают самые верхушки трав, антилопы гну щиплют то, что осталось от зебр, газели дощипывают самые нижние листочки, а антилопы топи доедают голые стебли.

Итак, обычно экологические ниши заняты одним видом. Экологическая ниша как функциональное место вида в системе жизни не может долго пустовать - об этом говорит правило обязательного заполнения экологических ниш: экологическая ниша всегда бывает естественно заполнена. Поэтому человек должен быть предельно осторожен с выводами о возможности заполнения экологических ниш путем акклиматизации.

2. 3. Условия сосуществования

К важнейшим биотическим факторам относятся наличие пищи, пищевые конкуренты и хищники.

Большую роль в жизни каждого сообщества играют условия среды обитания организмов. Любой элемент среды, оказывающий прямое воздействие на живой организм, называют экологическим фактором (климатические факторы).

Различают абиотические и биотические экологические факторы. К абиотическим факторам относят солнечную радиацию, температуру, влажность, освещенность, свойства почвы, состав воды.

Важным экологическим фактором для популяций животных считают пищу. Количество и качество пищи влияют на плодовитость организмов (их рост и развитие), продолжительность жизни. Установлено, что мелким организмам необходимо больше пищи в расчете на единицу массы, чем крупным; теплокровным - больше, чем организмам с непостоянной температурой тела. Например, синице лазоревке при массе тела в 11 г необходимо ежегодно потреблять пищи в размере 30% от ее массы, певчему дрозду при массе 90 г - 10%, а сарычу при массе в 900 г - всего 4,5%.

К биотическим факторам относят различные взаимоотношения между организмами в природном сообществе. Различают взаимоотношения особей одного вида и особей разных видов. Взаимоотношения особей одного вида имеют большое значение для его выживания. Многие виды могут нормально размножаться только тогда, когда они живут довольно многочисленной группой. Так, баклан нормально живет и размножается, если в его колонии насчитывается не меньше 10 тыс. особей. Принцип минимального размера популяции объясняет, почему редкие виды трудно спасти от исчезновения. Для выживания африканских слонов в стаде должно быть не меньше 25 особей, а северных оленей - 300-400 голов. Совместная жизнь облегчает поиски пищи и борьбу с врагами. Так, только стая волков может поймать добычу крупных размеров, а стадо лошадей и бизонов может успешно обороняться от хищников.

В то же время чрезмерное увеличение численности особей одного вида приводит к перенаселению сообщества, обострению конкуренции за территорию, пищу, лидерство в группе.

Изучением взаимоотношений особей одного вида в сообществе занимается популяционная экология. Главная задача популяционной экологии - изучение численности популяций, ее динамики, причин и последствий изменения численности.

Популяции разных видов, длительное время обитающие совместно на определенной территории, образуют сообщества, или биоценозы. Сообщество разных популяций взаимодействует с экологическими факторами среды, вместе с которыми оно образует биогеоценоз.

Большое воздействие на существование особей одного и разных видов в биогеоценозе оказывает лимитирующий, или ограничивающий, фактор среды, то есть недостаток того или иного ресурса. Для особей всех видов лимитирующим фактором может быть низкая или высокая температура, для обитателей водных биогеоценозов - соленость воды, содержание кислорода. Например, распространение организмов в пустыне ограничивается высокой температурой воздуха. Изучением ограничивающих факторов занимается прикладная экология.

II. Экологические последствия аварий,  связанных с выбросами, утечками и разливами нети и нефтепродуктов.

1. Экологические последствия  пожаров нефти и нефтепродуктов

1.1 Экологическая безопасность  и экологический риск

Существует несколько определений экологической безопасности, среди которых трудно выбрать наиболее правильное или вполне адекватное представлению о безопасности в целом и об экологической безопасности в частности. Совет Безопасности Российской Федерации использует следующую формулировку: «Экологическая безопасность процесс обеспечения защищенности жизненно важных интересов личности, общества, природы и государства от реальных и потенциальных угроз, создаваемых антропогенными или естественными воздействиями на окружающую среду. Система экологической безопасности есть совокупность законодательных, технических, медицинских и биологических мероприятий, направленных на поддержание равновесия между биосферой и антропогенными, а также естественными внешними нагрузками».

Экологический риск - вероятность возникновения неблагоприятных для природной среды и человека последствий осуществления хозяйственной и иной деятельности. Taкое определение представляется неполным, ибо затрагивает лишь одну сторону риска возможность возникновения негативных последствий антропогенного воздействия на среду обитания, степень наносимого вреда при этом не рассматривается, хотя известно, что нет такой деятельности человека, которая не наносила бы ущерба окружающей природной среде. Для более полного понимание понятия экологический риск рассмотрим еще одно определение:

Экологическим риском называют количественную характеристику экологической опасности объекта, оцениваемую произведением вероятности возникновения на объекте аварии (инцидента, происшествия) на ущерб, причиненный природной среде этой аварией и ее непосредственными последствиями, где ущерб есть выражение в денежной форме результатов вредного воздействия аварии и ее последствий на окружающую природную среду.

По общему смысловому содержанию, риск - это ответственность за решения, принятые в условиях неопределенности. Такое понимание риска определяет условия, без выполнения которых нет смысла рассуждать о риске. Необходимо выполнение двух условий:

1. Условие альтернативности: существо или лицо, принимающее  решение в той или иной ситуации  должно иметь возможность выбора  варианта действий, в том числе  и бездействия.

2. Условие стохастичности: решения принимаются в условиях  недостаточной информации, при наличии  случайных параметров, воздействий, случайного процесса развития  событий.

1.2 Нефть и экология

Нефтеперерабатывающие предприятия являются мощными источниками загрязнений окружающей среды, отравляющими одновременно атмосферу, водный бассейн и почву. Однако наибольший объем вредных выбросов имеет место не при добыче и переработке нефти, а при сжигании нефтяных топлив как тепловыми электростанциями (котельное топливо), так и на транспорте (моторное топливо), а также при пожарах на нефтебазах и нефтепроводах.

Соотношение объемов вредных выбросов, поступающих в атмосферу, свидетельствует о весьма значительном влиянии нефти и нефтепродуктов на состояние окружающей среды. При сгорании нефтепродуктов образуются все основные загрязнители атмосферы.

Таблица 1. Вредное воздействие продуктов сгорания топлив и технические решения для его снижения

В связи с указанным во всем мире уделяется огромное внимание экологической безопасности топлив и нефтехранилищ. Комплексное решение этой проблемы предусматривает:

1. Разработку и применение  топлив с экологически улучшенными  характеристиками, в частности с  пониженным содержанием серы, ароматических  и легколетучих углеводородов.

2. Выполнение основных  требований безопасности производства  и хранения нефтепродуктов.

Успех этих действий гарантирован лишь при эффективных организационных мерах: повышении технической грамотности и культуры, законодательном регулировании требований к топливам и техническим средствам, целенаправленной экономической политике, поощряющей выработку экологически безопасных продуктов и делающей невыгодным применение некачественных топлив и несовершенных технических средств.

Глава 2. Экологические последствия пожаров нефти и нефтепродуктов

2.1 Пожары нефтепродуктов  в резервуарах

Горение над зеркалом нефтепродукта представляет собой горение струи его пара в воздухе, поддерживаемое непрерывным испарением. Причем, скорость испарения определяется мощностью теплового потока от пламени к жидкости. В связи с сильными и непрерывными турбулентными флуктуациями пламени весьма сложным оказывается вопрос о физике горения, геометрических размерах и термических характеристиках пламени при горении нефтепродуктов в резервуарах.

Образование турбулентного пламени паров жидкости, горящих со свободной поверхности, происходит в условиях естественной конвекции, когда скорость воздуха и пара вблизи поверхности нефтепродукта малы и не превышают нескольких сантиметров с секунду. Турбулизация в этом случае происходит вследствие большого диаметра зеркала жидкости. Для такого пламени характерны масштабные пульсации, хорошо видимые при простом наблюдении.

В безветренную погоду наблюдаются упорядоченные колебания всего фронта пламени, при которых факел периодически увеличивается и опадает. Это своеобразное явление связано с условиями образования паровоздушной смеси при естественной конвекции.

Для оценки приближенного значения скорости выгорания нефтепродуктов при пожарах в резервуарах можно использовать эмпирическую формулу, которую легко получить из уравнения теплового баланса. Не делая предположений относительно механизма теплообмена между факелом пламени и поверхностью горящего нефтепродукта, можно считать, что доля тепла, поступающего от факела, пропорциональна тепловыделению в зоне горения.

Тогда скорость выгорания нефтепродукта может быть вычислена по формуле (1):

Vc=ρ*α*QгQи+Cр*Tп-T0 , (1) 
 
где ^ Vc - удельная массовая скорость выгорания нефтепродукта в резервуаре, кг/м2-с, 
 
ρ – плотность нефтепродукта, кг/м3; 
 
Qг – теплота сгорания жидкости, Дж/кг, 
 
Тп – температура поверхности горящей жидкости, К, 
 
Т0 – температура нефтепродукта в глубине резервуара, К, 
 
Ср - удельная теплоемкость нефтепродукта, Дж/кг*К, 
 
Qи – теплота испарения нефтепродукта, Дж/кг, 
 
α – коэффициент пропорциональности, м/с.

Обработка многочисленных экспериментальных данных показала, что формула (1) соответствует реальным значениям скорости выгорания подавляющего большинства нефтепродуктов как индивидуальных, так и в смесях. При этом было установлено, что численное значение коэффициента ? не зависит от свойств горящей жидкости и равно 1,25-6 м/с.

При горении нефтепродукта в резервуаре уровень поверхности жидкости постоянно снижается. Вследствие этого уменьшается приток тепла от пламени к поверхности жидкости, что, в свою очередь, вызывает снижение скорости выгорания нефтепродукта, пока не наступит критическое положение уровня жидкости, при котором произойдет самотушение.

Критическое расстояние hк от верхней кромки борта резервуара до поверхности горящего нефтепродукта зависит от диаметра резервуара (2):

hк=0,55*d1,7, (2)

где d - диаметр резервуара.

Для больших резервуаров зависимость скорости сгорания от высоты свободного борта практической роли не играет, так как высота стандартных резервуаров всегда значительно меньше критической, определяемой на основании (2).

Температура на поверхности сложных по составу жидкостей всегда выше начала температуры кипения, что объясняется изменением фракционного состава жидкости во время горения. Опыт показывает, что температура неодинакова в разных точках поверхности горящей жидкости. Вблизи стенок резервуара температура выше, чем в центре. Неравномерность распределения температуры связана с влиянием стенок резервуара, температура которых всегда выше температуры горящего нефтепродукта.

Характер распределения температуры по глубине топлива при горении бензина и керосина резко отличается. Если температура в керосине плавно и постепенно снижается по мере удаления от поверхности (первый тип распределения), то в бензине имеется слой определенной толщины, температура которого одинакова во всех точках и резко падает за нижней границей этого слоя (второй тип распределения).

Установлено, что первый тип распределения характерен для керосина, дизельного топлива, трансформаторного масло и т.д. распределение второго типа возникает при горении нефти, бензина, мазута.

Процесс образования прогретого слоя можно представить следующим образом. Во время горения нагреваются стенки резервуара и прилегающая к ним жидкость. Если температура стенки выше температуры кипения жидкости, последняя закипает. Кипение усиливает конвективные потоки, распространяющие тепло в глубь жидкости, что приводит к прогреву части стенки резервуара, которая прилегает к нижней границе прогретого слоя. В этом месте начинается кипение, которое ведет к дальнейшему увеличению прогретого слоя и т.д. Процесс продолжается до тех пор, пока потери тепла через стенки резервуара в окружающую среду не станут превышать подвод тепла со стороны пламени, после чего процесс увеличения прогретого слоя нефтепродукта прекращается.

Таким образом, с увеличением диаметра резервуара следует ожидать уменьшения скорости прогревания бензина, так как уменьшается отношение площади стенки резервуара к объему находящейся в нем жидкости и, следовательно, увеличиваются затраты тепла на нагревание и образование конвективных потоков в жидкости, прилегающей к стенке.

Анализ условий горения бензина в резервуарах диаметром 5,3 м. и 8,6 м. показал, что образование прогретого слоя в бензине не наблюдается при горении в резервуарах, диаметр которых превышает 5 м. Аналогично происходит прогревание слоя при горении нефти и других жидкостей с низкой температурой кипения.

Особенностью прогревания нефти является наличие в ней влаги. Если в нефти содержится много влаги, то она может прогреваться даже в том случае, если температура кипения ее сравнительно высока. Это объясняется тем, что вода резко снижает точку кипения жидкости. Вода, находящаяся в нефти в виде капель, при определенных условиях закипает, что способствует формированию интенсивных конвективных потоков. Аналогичное явление наблюдается и при горении мазута, который кроме содержания влаги при горении выделяет на поверхностном слое коксовый остаток, разогретый до высоких температур. Этот остаток, опускаясь вниз, нагревает нижние слои мазута.

При длительном горении в резервуарах нефть и мазут иногда внезапно вскипают, и горящая жидкость выбрасывается на большие расстояния, что создает дополнительную угрозу распространения пожара и поражения людей. Изучению этого явления было посвящено много исследований. В частности было установлено, что вскипания и выбросы нефти и мазута связаны с наличием влаги в жидкости и на дне резервуара. Кроме того, они обусловлены особым характером прогревания сырой нефти и влагонасыщенного мазута. Например, воду, тщательно очищенную от воздуха, можно нагреть, не вызывая кипения, почти до 200°С. Жидкость при этом будет находиться в нестабильном перегретом состоянии и достаточно ввести небольшое количество какой-либо механической примеси, как произойдет бурное закипание, которое может иметь характер взрыва.

Аналогичное явление происходит при горении сырой нефти и нефтепродуктов, способных к вскипанию. Нефть при горении прогревается внутрь с образованием увеличивающегося во времени прогретого слоя. Температура в прогретом слое около 300°С. Через некоторое время прогретый слой нефти достигнет подстилающего водяного слоя. Если на границе нефть - вода, а также внутри слоя воды не окажется достаточного количества центров парообразования, вода может прогреваться до температуры, значительно превышающей температуру кипения. Прогрев воды будет продолжаться до тех пор, пока внутри слоя воды не возникнут самопроизвольно зародыши паровой фазы. В этот момент произойдет бурное вскипание воды с выделением большого количества водяного пара, который выбросит находящуюся над водой горящую нефть наружу. Вскипание происходит, как правило, гораздо раньше выброса нефти, и в настоящее время нет устойчивых методик, позволяющих определить момент вскипания, который зависит от сорта и влажности нефти.

Опыты показывают, что нефть, содержащая 1% влаги, вскипает через 45 - 60 мин. Если уровень нефти в резервуаре высок, вскипание с переливом периодически будет повторяться. Основным признаком начала вскипания является увеличение размеров факела пламени. В некоторых случаях перед началом вскипания возникает сильный шум. В связи с тем, что эффективных мер предупреждения вскипания пока нет, большое значение приобретает оперативность при тушении таких пожаров. Необходимо также иметь в виду, что вскипание может происходить при подаче воды или пены на поверхность горящей нефти.

Следует заметить, что третья часть аварий с разрушением резервуаров хранения нефтепродуктов сопровождается выходом (разливом) нефтепродуктов за пределы резервуарных парков.

Наиболее опасной аварией в процессе хранения и транспортировки нефтепродуктов является взрыв паровоздушной смеси, т.е. смеси паров нефтепродукта с воздухом. Взрывоопасная смесь паров нефтепродукта с воздухом может образоваться как внутри резервуара, так и в открытом пространстве около резервуара. В последнем случае сформированное облако при определенных метеоусловиях способно мигрировать и взрываться (воспламеняться) через некоторое время после образования.

Условием возгорания (взрыва) является формирование паровоздушной смеси, концентрация которой достаточна для горения или взрыва при наличии стороннего источника энергии или при повышении температуры смеси до значений, превосходящих температуру ее самовоспламенения.

Методы оценки последствий взрывного горения газопаровоздушных смесей подробно изложены в руководящих документах, например, ГОСТ Р 12.3.047-98, НПБ 105-03, РД 03-409-01.

К основным причинам образования паровоздушных смесей можно отнести:

1. Неисправность дыхательных  клапанов в процессе «большого»  или «малого» дыхания резервуара.

2. Нарушение технологии  зачистки корпуса резервуара.

3. Повышение внешней температуры  резервуара, например, вследствие стороннего  пожара.

Таким образом, в случае формирования облака паровоздушной смеси и при наличии источника энергии, достаточной для его воспламенения, возможны следующие типичные исходы:

1. Детонационный взрыв  облака паровоздушной смеси в  атмосфере.

2. Дефлаграционное взрывное горение облака в атмосфере.

3. Пожар разлития нефтепродуктов («горящая лужа»);.

4. Взрыв типа «BLEVE» от  англ. Boiling liquid expanding vapour explosion, т.е взрыв расширяющихся паров вскипающей жидкости в резервуаре.

В результате реализации перечисленных выше событий формируются поражающие факторы, основными среди которых являются следующие:

1. При взрыве облака  в атмосфере наблюдается воздушная  ударная волна, характеризуемая  избыточным давлением во фронте, длительностью фазы сжатия, длительностью  фазы разряжения и импульсом  фазы сжатия и тепловое излучение.