Ирина Эланс

Автор который поможет с любыми образовательными и учебными заданиями

Экология. 5

Федеральное агентство по образованию

ГОУ ВПО « Тульский государственный университет»

Кафедра: « Аэрологии, охраны труда и окружающей среды»

Реферат

по дисциплине: «Экология»

Тула, 2009г

Содержание:

Краткая история предмета экология…………………………………3
Абиотические факторы среды………………………………………..4
Энергия в экологических системах. Жизнь как термодинамический процесс…………………………………………………………………7
Учение В.И. Вернадского о биосфере……………………………….11
Круговорот углерода и азота………………………………………...14
Экологическая проблема Тульской области –Доклад СэС…………18
Концепция устойчивого развития…………………………………….21
Основные промышленные методы очистки отходящих газов от вредных и ценных компонентов………………………………………22
Нормирование качества окружающей среды. Плата за загрязнение окружающей среды……………………………………………………..25
Международное сотрудничество в области окружающей среды……28

11.Список литературы……………………………………………………..30

1. Краткая история предмета экологии.

Экология - это наука о взаимоотношениях живых существ между собой и с окружающей средой, о связях в надорганизменных системах, о структуре и функционировании этих систем.

Термин "экология" был впервые введен немецким биологом Эрнстом Геккелем в 1869 г.; он образован из двух греческих слов: oikos, что значит дом или жилище, и logos - изучение или наука. Таким образом, буквально "экология" означает нечто вроде науки о "природном доме", о всех его обитателях, о совокупности и характере связей между организмами и окружающей их физической средой, а также тех функциональных процессах, которые делают этот дом пригодным для жизни.

Своими корнями экология уходит в биологические науки; как самостоятельная естественнонаучная дисциплина она выделилась только с начала ХХ в., после того, как были накоплены сведения о многообразии живых организмов на Земле, об особенностях их образа жизни. Возникло понимание, что не только строение и развитие организмов, но и взаимоотношения их со средой обитания подчинены определенным закономерностям, которые заслуживают специального и тщательного изучения. С середины пятидесятых годов ее значение и сферы приложения стали значительно расширяться, и современную экологию можно охарактеризовать как междисциплинарную область, развивающуюся на стыке физики, химии, биологии, почвоведения, гидрологии, а также различных социальных дисциплин.

Как и большинство наук, экология имеет длительную предысторию. Ее обособление представляет собой естественный этап роста научных знаний о природе. Выделившись в системе других естественных наук, экология и сейчас продолжает развиваться, обогащая свое содержание и расширяя задачи. Современная экология является теоретической основой рационального природопользования, ей принадлежит ведущая роль в разработке стратегии взаимоотношений природы и человеческого общества.

2. Абиотические факторы среды

Абиотические факторы, т.е. свойства неживой природы, которые прямо или косвенно влияют на живые организмы, подразделяется на эдафические (почвенные), климатические, топографические и другие физические факторы, в том числе воздействие волн, морских течений и огня.

Климатические факторы внешней среды:

Температура является наиболее важным климатическим фактором. От нее зависит интенсивность обмена веществ организмов и их географическое распространение.

Любой организм способен жить в пределах определенного диапазона температур. Температура, как впрочем, и интенсивность света, в большой мере зависит от географической широты, сезона, времени суток и экспозиции склона. Однако встречаются и узколокальные различия в температуре; это в особенности касается микроместообитаний, обладающих собственным микроклиматом. Растительность тоже оказывает некоторое влияние на температуру. Например, иная температура бывает под пологом леса или в меньшей степени внутри отдельных групп растений, а также под листьями отдельного растения.

Таким образом, температура является важным и часто лимитирующим фактором. Температурные ритмы в значительной степени контролируют сезонную и суточную активность растений и животных. Температура часто создает зональность и стратификацию в водных и наземных местообитаниях.

Излучение: Свет - основной источник энергии на Земле. Природа света двойственна: с одной стороны он представляет собой поток элементарных физических частиц - корпускул, или фотонов, не имеющих заряда, с другой - обладает волновыми свойствами. Чем меньше длина волны фотона, тем выше его энергия, и наоборот. Энергия фотонов служит источником обеспечения энергетических потребностей растений при фотосинтезе, поэтому зеленое растение не может существовать без света.
Свет (освещенность) представляет собой мощный стимул активности организмов - фотопериодизма в жизни растений (рост, цветение, опадание листвы) и животных (линька, накопление жира, миграции и размножение птиц и млекопитающих, наступление стадии покоя - диапаузы, поведенческие реакции и др.). Продолжительность светового дня зависит от географической широты..

Вода. Энергией Солнца вода поднимается с поверхности морей и океанов и возвращается на Землю в виде разнообразных осадков, оказывая разностороннее влияние на организмы. Вода - важнейший компонент клетки, на ее долю приходится 60-80% ее массы. Биологическое значение воды обусловлено ее физико-химическими свойствами. Молекула воды полярна, поэтому она способна притягиваться к различным другим молекулам и ослаблять интенсивность взаимодействия между зарядами этих молекул, образуя с ними гидраты, т. е. выступать в качестве растворителя. Многие, вещества вступают в разнообразные химические реакции только в присутствии воды. Диэлектрические свойства, наличие связей между молекулами обусловливают большую теплоемкость воды, что создает в живых системах "тепловой буфер", предохраняя неустойчивые структуры клетки от повреждения при местном кратковременном освобождении тепловой энергии. Поглощая тепло при переходе из жидкого в газообразное состояние, вода производит охлаждающий; эффект испарения, используемый организмами для регуляции температуры тела. Благодаря большой теплоемкости вода играет роль основного терморегулятора климата. Ее медленное нагревание и охлаждение регулируют колебания температуры океанов и озер: летом и днем в них накапливается тепло, которое они отдают зимой и ночью. Стабилизации климата способствует также постоянный обмен диоксидом углерода между воздушной и водной оболочками земного шара и горными породами, а также растительным и животным миром
В зависимости в водной среде (стрелолист, элодея, роголистник). Недостаток влаги служит ограничивающим фактором, определяющим границы жизни и ее зональное распределение. При недостатке воды у животных и растений вырабатываются приспособления к ее добыванию и сохранению.
Ионизирующее излучение. Излучение с очень высокой энергией, которое способно приводить к образованию пар положительных и отрицательных ионов, называется ионизирующим. Его источником являются радиоактивные вещества, содержащиеся в горных породах; кроме того, оно поступает из космоса. Из трех видов ионизирующего излучения, имеющих важное экологическое значение, два представляют собой корпускулярное излучение (альфа - и бета-частицы), а третье - электромагнитное (гамма-излучение и близкое ему рентгеновское излучение). Гамма-излучение легко проникает в живые ткани; это излучение может пройти сквозь организм, не оказав никакого воздействия, или же может вызвать ионизацию на большом отрезке своего пути. В целом ионизирующее излучение оказывает на более высокоразвитые и сложные организмы наиболее губительное действие.

Загрязняющие вещества. Эти вещества можно разделить на две группы: природные соединения, являющиеся отходами технологических процессов, и искусственные соединения, не встречающиеся в природе.
К 1-й группе относятся сернистый ангидрид, углекислый газ, оксиды азота, углерода, углеводороды, соединения меди, цинка и ртути и др., минеральные удобрения.
Во 2-ю группу входят искусственные вещества, обладающие специальными свойствами, удовлетворяющими потребности человека: пестициды, используемые для борьбы с животными-вредителями сельскохозяйственных культур, антибиотики, применяемые в медицине и ветеринарии для лечения инфекционных заболеваний. К пестицидам относятся инсектициды - средства для борьбы с вредными насекомыми и гербициды - средства для борьбы с сорняками.
Все они обладают определенной токсичностью (ядовитостью) для человека.
К абиотическим факторам относятся также атмосферные газы, минеральные вещества, барометрическое давление, движение воздушных масс и гидросферы (течение), минеральная основа почвы, соленость воды и почвы.

3. Энергия в экологических системах. Жизнь как термодинамический процесс.

Экосистема — основная функциональная единица в экологии, единый природный комплекс, образованный живыми организмами и средой их обитания (атмосфера, почва, водоемы), в которой живые и неживые компоненты связаны между собой обменом веществ и энергии.

Жизнедеятельность всех живых организмов, включая человека, представляет собой работу, для осуществления которой требуется энергия.

Когда излучение поглощается каким-либо предметом, последний нагревается, то есть энергия излучения переходит в энергию движения молекул, из которых состоит тело, причем, это касается любых физических полей и сред, взаимодействующих с ними. В частности, солнечное излучение сушей и водой поглощается по-разному, в результате возникают теплые и холодные области, что в свою очередь служит причиной образования воздушных потоков, которые, например, могут вращать ветряные двигатели и выполнять другую работу. Таким образом, «потребленная» энергия на самом деле не расходуется, она только переводится из состояния, в котором ее легко превратить в работу, в состояние с малой возможностью использования.

Если температура какого-либо тела выше температуры окружающего воздуха, то тело будет отдавать тепло до тех пор, пока его температура не сравняется с температурой окружающей среды, после чего наступает состояние термодинамического равновесия и дальнейшее рассеяние энергии в тепловой форме прекращается. Такая система находится в состоянии максимальной энтропии. Энтропия отражает возможности превращения энергии и рассматривается как мера неупорядоченности системы.

Понятие энтропии как показателя термодинамической искаженной энергии имеет большое значение не только в физике, химии, биологии, но и в экологии для решения проблем, связанных с изменением состояния окружающей среды. Энтропия показывает, что тот или иной процесс может происходить в системе с определенной вероятностью. При этом если система стремится к равновесному состоянию, энтропия увеличивается и стремится к максимуму.

Применяя положения термодинамики к процессу жизнедеятельности, можно отметить, что живой организм извлекает энергию из пищи, используя упорядоченность ее химических связей. Часть энергии идет на поддержание жизненных процессов, часть передается организмам последующих пищевых уровней. В начале этого процесса находится фотосинтез, при котором повышается упорядоченность деградировавших органических и минеральных веществ. При этом энтропия уменьшается за счет поступления энергии от Солнца.

Само существование биосферы можно рассматривать как стационарный процесс, реализуемый на фоне грандиозного необратимого процесса охлаждения Солнца. Если возникновение биологической структуры можно представить двумя стадиями: биосинтезом составляющих элементов (макромолекул, клеток) и сборкой из них организованной системы, то процесс сборки находится в значительной степени под термодинамическим контролем, поскольку на молекулярном уровне система стремится к состоянию с наименьшим химическим потенциалом. Самоорганизация и эволюция биологических систем на всех уровнях, начиная с клетки и кончая биосферой в целом, происходят вследствие оттока энтропии в окружающую среду.

Согласно второму началу термодинамики, энергия любой системы стремится к уменьшению, то есть к термодинамическому равновесию, что равнозначно максимальной энтропии. В такое состояние живой организм перейдет, если лишить его возможности извлекать упорядоченность (энергию) из окружающей среды. Закон энтропии универсален и безграничен и гласит, что утратившая чувство гармонии любая структура немедленно поглощается живой природой.

Методы термодинамики применимы только к макроскопическим системам, состоящим из большого числа частиц. Система, которая не может обмениваться со средой ни энергией, ни веществом, является изолированной (камни, шлаки); если происходит обмен только энергией, то система называется замкнутой (теплообменники); а если и энергией, и веществами открытой (биообъекты).

При применении термодинамики к биологическим системам необходимо учитывать особенности организации живых систем:
1) биологические системы открыты для потоков вещества и энергии;
2) процессы в живых системах, в конечном счете, имеют необратимый характер;
3) живые системы далеки от равновесия;
4) биологические системы гетерофазны и структурированы.

Для описания свойств биологических систем целесообразно применение термодинамики необратимых процессов, которая рассматривает ход процессов во времени (основатели лауреаты Нобелевской премии по химии Л. Онзегер и И. Пригожий). Фундаментальным понятием термодинамики необратимых процессов является стационарное состояние системы. Процесс жизнедеятельности биообъектов сопровождается непрерывно идущими биологическими процессами, выделяя в определенный период времени доминирующий (или тот же, измененный по времени) процесс.

В биологических системах наиболее важными потоками являются потоки вещества и электрических зарядов. Когда по каким-либо причинам стационарность потоков нарушается, то есть нарушается проницаемость мембраны, возникает диодный эффект, при этом изменяется фр., возникает ощущение боли (новое стационарное состояние). В медицинской практике ряд заболеваний, связанных с нарушением стационарности ионного обмена (радикулит, отложение солей и др.), эффективно лечится электротерапевтическими методами.

В общем случае основным свойством живых систем является наличие разности потенциалов на мембранах клеток. Незначительные изменения потенциала сопровождаются четко выраженными физиологическими изменениями: нервным импульсом, транспортом ионов через мембрану, сокращением мышечной ткани и др. Длительное нарушение целостности мембраны всегда ведет к патологии, а выравнивание потенциала означает смерть клетки.

Таким образом, важнейшая термодинамическая характеристика организмов, экосистем и биосферы в целом - способность создавать и поддерживать высокую степень внутренней упорядоченности, то есть неуравновешенное состояние с низкой энтропией (с окружающей средой, но неустойчивое равновесие для самого индивида). Для поддержания внутренней упорядоченности в системе, находящейся при температуре выше абсолютного нуля, когда существует тепловое движение атомов и молекул, необходима постоянная работа по откачиванию "неупорядоченности". Эта работа предполагает постоянно действующий источник энергии и наличие хорошо развитых "диссипативных структур" у самой системы. Низкая энтропия достигается постоянным и эффективным рассеянием легко используемой концентрированной энергии (например, энергии света, горючего, пищи) и превращением ее в энергию, используемую с трудом (например, в тепловую). Дыхание высокоупорядоченной биомассы можно рассматривать как диссипативную структуру экосистемы. Это затрата энергии на поддержание жизнедеятельности.

Итак, экосистемы и организмы представляют собой открытые неравновесные термодинамические системы, постоянно обменивающиеся с окружающей средой энергией и веществом, уменьшая этим энтропию внутри себя, но увеличивая энтропию вовне в согласии с законами термодинамики.

4. Учение В.И. Вернадского о биосфере.

Представление о биосфере как общепланетарной оболочке, охватывающей толщу тропосферы, гидросферы, осадочных (и возможно гранитных) пород литосферы, в ходе всей геологической истории Земли; как глобальной единой системе Земли, где весь основной ход геохимических и энергетических превращений определяется жизнью, было разработано в трудах В.И.Вернадского. Вернадский впервые указал на активную преобразующую деятельность древних и современных организмов в изменении облика нашей планеты. Грандиозные масштабы этого процесса позволили ему развить учение о космической роли жизни в геологической истории Земли, что, несомненно, дает право считать его основателем учения о биосфере.

Биосферой Вернадский назвал ту область нашей планеты, в которой существует или когда-либо существовала жизнь и которая постоянно подвергается или подвергалась воздействию живых организмов.

Участие каждого отдельного организма в геологической истории Земли ничтожно мало. Однако живых существ на Земле бесконечно много, они обладают высоким потенциалом размножения, активно взаимодействуют со средой обитания и, в конечном счете, представляют в своей совокупности особый, глобальных масштабов фактор, преобразующий верхние оболочки Земли.

Значение организмов обусловлено их большим разнообразием, повсеместным распространением, длительностью существования в истории Земли, избирательным характером биохимической деятельности и исключительно высокой химической активностью по сравнению с другими компонентами природы.

Современная жизнь распространена в верхней части земной коры (литосфере), в нижних слоях воздушной оболочки Земли (атмосфере) и в водной оболочке Земли (гидросфере). Для обозначения совокупности всего живого на Земле вместе с его непосредственным окружением и ресурсами введем термин "современная биосфера" или "экосфера".

Экосфера непрерывной оболочкой одевает земной шар, а ее протяженность по вертикали меняется от долей метра - в областях чрезвычайно скудной жизни (арктические и антарктические пустыни) - до тысяч метров. Нижняя граница экосферы ограничена, прежде всего, температурой горных пород и подземных вод, которая постепенно возрастает с глубиной и на уровне 1,5 - 15 км уже превышает 100°С. Поэтому вглубь Земли живые организмы проникают на небольшое расстояние. Самая большая глубина, на которой в породах земной коры были обнаружены бактерии, составляет 4 км. В нефтяных месторождениях на глубине 2 - 2,5 км бактерии регистрируются в значительном количестве. В океане жизнь распространена до более значительных глубин и встречается даже на дне океанических впадин в 10 - 11 км от поверхности, так как температура там, около 0°С. Однако по Вернадскому нижнюю границу биосферы следует проводить еще глубже. Постепенно накапливающиеся в океане гигантские толщи осадочных пород, происхождение которых связано с деятельностью живых существ - это тоже часть биосферы. В соответствии с динамическими процессами в земной коре осадочные породы постепенно вовлекаются в глубь ее, метаморфизируясь под действием высоких температуры и давления. Метаморфические породы земной коры, происходящие из осадочных, в конечном итоге также производные жизни.

Верхняя граница жизни в атмосфере определяется нарастанием с высотой ультрафиолетовой радиации. На высоте 25 - 27 км большую часть ультрафиолетового излучения Солнца поглощает находящийся здесь тонкий слой озона - озоновый экран. Все живое, поднимающееся выше защитного слоя озона, погибает. Атмосфера же над поверхностью Земли насыщена многообразными живыми организмами. Споры бактерий и грибов обнаруживают до высоты 20 - 22 км, но основная часть аэропланктона сосредоточена в слое до 1-1,5 км.

Хотя процессы жизнедеятельности современных организмов сосредоточены только в экосфере, влияние живого вещества (современного или существовавшего в прошлом) ощущается далеко за ее пределами. Именно поэтому биосфера Вернадского (как область существования всех былых экосфер) простирается далеко за пределы современной экосферы, охватывая по вертикали слой толщиной 40 - 50 км.

Приблизительная масса биосферы составляет 0,05% массы Земли, а ее объем 0,4% объема планеты.

Структура биосферы представляет собой сложную многокомпонентную систему - совокупность газообразной, жидкой, твердой и биологической организаций. Она характеризуется строгой организованностью, биологическим равновесием численности и взаимной адаптированностью составляющих ее организмов.

Вернадский подчеркивал, что биосферу нужно рассматривать как целостную геологическую оболочку Земли, весьма сложную саморегулирующуюся систему, состоящую из живого вещества и неживой материи.

Всю совокупность организмов на планете Вернадский назвал живым веществом.

Косное вещество, по Вернадскому, это совокупность тех веществ в биосфере, в образовании которых живые организмы не участвуют - т.е. горные породы магматического, неорганического происхождения, видоизмененные живыми организмами вещества космического происхождения, космическая пыль, метеориты.

Биогенное вещество создается и перерабатывается жизнью, совокупностями живых организмов. Это источник чрезвычайно мощной потенциальной энергии (каменный уголь, гумус почв, нефть, битумы, торф и т.п.). После образования биогенного вещества живые организмы в нем малодеятельны.

Особой категорией является биокосное вещество. Вернадский определял, что оно "создается в биосфере одновременно живыми организмами и косными процессами, представляя системы динамического равновесия тех и других". Организмы в биокосном веществе играют ведущую роль. Биокосное вещество планеты - это почвы, кора выветривания, все природные воды, свойства которых зависят от деятельности на Земле живого вещества.

Биосфера, таким образом, это та область Земли, которая охвачена влиянием живого вещества. С современных позиций биосферу рассматривают как наиболее крупную экосистему планеты, поддерживающую глобальный круговорот веществ.

5.Глобальный круговорот углерода и азота.

Круговорот углерода:

В биологическом круговороте углерода участвуют только органические соединения и диоксид углерода; фотосинтез и дыхание полностью комплементарны. Весь ассимилированный в процессе фотосинтеза углерод включается в углеводы, а в процессе дыхания углерод, содержащийся в органических соединениях, превращается в диоксид углерода.

В круговороте СО₂ атмосферный фонд очень невелик (0,035% атм.), в сравнении с запасами углерода в океанах, в ископаемом топливе и других резервуарах земной коры. Полагают, что до наступления индустриальной эры потоки углерода между атмосферой, материками и океанами были сбалансированы.

В основе этого баланса лежит регулирующая деятельность зеленых растений и поглощающая способность карбонатной системы моря. Низкое содержание СО₂, также как высокие концентрации О₂ служат лимитирующими факторами для фотосинтеза: для большинства растений характерно увеличение интенсивности фотосинтеза, если в эксперименте увеличивается содержание CО₂ или понижается содержание О₂. Таким образом, зеленые растения оказываются весьма чувствительным регулятором содержания этих газов.

Фотосинтезирующий "зеленый пояс" Земли и карбонатная система моря поддерживают постоянный уровень содержания СО₂ в атмосфере. Но в последнем столетии стремительно возрастающее потребление горючих ископаемых вместе с уменьшением поглотительной способности "зеленого пояса" начинает превосходить возможности природного контроля, так что содержание СО₂ в атмосфере, сейчас постепенно возрастает. Если концентрация вдвое превысит доиндустриальный уровень, что может случиться к середине будущего века, вероятно потепление климата Земли: температура в среднем повысится на 1,5 - 4,5 °С, и это наряду с подъемом уровня моря (в результате таяния полярных шапок) и изменением распределения осадков может погубить сельское хозяйство.

Основным источником поступления "парникового газа" СО₂ считается сжигание горючих ископаемых, однако свой вклад вносят также развитие сельского хозяйства и сведение лесов. Может показаться удивительным, что сельское хозяйство в конечном счете приводит к потере СО₂ из почвы (то есть вносит в атмосферу больше, чем забирает оттуда), но дело в том, что фиксация СО₂ сельскохозяйственными культурами, многие из которых активны лишь часть года, не компенсирует количества СО_2, высвобождающееся из почвы, особенно в результате частой вспашки. Леса - важные накопители углерода, так как в биомассе лесов содержится в 1,5 раза, а в лесном гумусе - в 4 раза больше углерода, чем в атмосфере. Сведение леса, разумеется, может высвободить углерод, накопленный в древесине, особенно если она немедленно сжигается. Уничтожение леса, особенно при последующем использовании этих земель для сельского хозяйства или строительства городов, приводит к окислению гумуса.

Круговорот азота - Воздух, на 78,08% состоящий из азота, представляет собой крупнейший "резервуар" и одновременно "предохранительный клапан" системы. Азот постоянно поступает в атмосферу благодаря деятельности денитрифицирующих бактерий и постоянно возвращается в круговорот в результате деятельности азотфиксирующих бактерий или водорослей (биологическая фиксация азота), а также действию электрических разрядов - молний и других физических процессов, в которых происходит фиксация азота.

Путь прохождения азота через экосистему отличается от пути углерода и кислорода в нескольких важных аспектах. Во-первых, большинство организмов не могут ассимилировать азот из огромного его фонда (3,85*10²¹ г N₂), имеющегося в атмосфере. Во-вторых, азот не принимает непосредственного участия в высвобождении химической энергии при дыхании: главная его роль сводится к тому, что он входит в состав белков и нуклеиновых кислот, которые создают структуру биологических систем и регулируют их функционирование. В-третьих, биологическое разложение азотсодержащих органических соединений до неорганических форм слагается из нескольких стадий, и некоторые из этих стадий могут осуществляться только специализированными бактериями. В-четвертых, большая часть биохимических превращений, участвующих в разложении азотсодержащих соединений, происходит в почве, где доступность азота растениям облегчается растворимостью его неорганических соединений.

Наиболее важные процессы в круговороте азота - это распад органических азотсодержащих соединений в результате аммонификации и нитрификации, восстановление нитратов и нитритов до молекулярного азота (N₂) в результате денитрификации и его высвобождение в атмосферу, а также процесс биологической ассимиляции атмосферного азота путем его фиксации.

В органических соединениях азот обычно представлен амино - или какой-либо родственной группой, входящей в состав той или иной органической молекулы. У животных выведение из организма избыточного азота происходит путем отщепления аминов от органических соединений и выделения их в сравнительно неизменной форме, главным образом, в виде аммиака (NН₃) или мочевины СО(NH₂)₂. Почвенные микроорганизмы легко превращают мочевину в аммиак путем гидролиза:

СО(NH₂)₂ + H₂O ® 2 (NН₃) + CO₂