Среда обитания человека и экологическая безопасность. Экологические системы и их устойчивость. Основные виды антропогенных воздействия. Экологическое нормирования качества окружающей природы.

Лекция 2. Среда обитания человека и экологическая безопасность. Экологические системы и их устойчивость. Основные виды антропогенных воздействия. Экологическое нормирования качества окружающей природы. 1. Среда обитания человека и экологическая безопасность. Известно, что «жизнь — форма существования материи». Человек существует в процессе жизнедеятельности. Этот процесс состоит из непрерывного взаимодействия человека со средой обитания в целях удовлетворения своих потребностей. Понятие «жизнедеятельность» шире понятия «деятельность», поскольку включает в рассмотрение не только трудовой процесс человека, но и условия его отдыха, быта и миграции в окружающей среде. Основным принципом существования и развития всего живого является принцип обязательности внешнего воздействия: «Живое тело развивается и существует лишь при наличии внешних воздействий на него». Саморазвитие живого тела невозможно. Реализация этого принципа в природе достигается взаимодействием живого тела с окружающей его природной средой, а в иных условиях -взаимодействием всего живого с окружающей его средой обитания. Среда обитания — окружающая среда, обусловленная совокупностью факторов физических, химических, биологических, информационных, социальных), способных оказывать прямое или косвенное, немедленное или отдаленное воздействие на жизнедеятельность человека, его здоровье и потомство. В соответствии с законом сохранения жизни Ю.Н. Куражковского: «Жизнь может существовать только в процессе движения через живое тело потоков вещества, энергии, информации». Это позволяет утверждать, что - при жизни человек связан с внешним миром (средой обитания) потоками вещества, энергии и информации, поглощая (или излучая) их. Человек и среда обитания образуют постоянно действующую систему «человек — среда обитания», и именно в процессе этого взаимодействия человек реализует свои физиологические и социальные потребности. В современном мире для человека характерны два полярных вида среды обитания: природная — обитание в биосфере и техногенная - обитание в условиях производства, города, быта. Биосфера — область распространения жизни на Земле, включающая нижний слой атмосферы, гидросферы и верхний слой литосферы, не испытавших техногенного воздействия. Биосфера Земли всегда являлась и является защитным экраном от космического воздействия, под которым зародилась жизнь и сформировался человек. Но она обладала и сейчас обладает рядом естественных факторов, негативно влияющих на человека (высокая и низкая температура воздуха, атмосферные осадки и т. п.). Поэтому для защиты от неблагоприятных воздействий биосферы и достижения ряда иных целей человек был вынужден создать техносферу. В ХХ в. на Земле возникли зоны повышенного антропогенного и техногенного влияния на природную среду, что привело к частичной, а в ряде случаев и к полной ее региональной деградации. Частичной или даже кое-где полной деградации природной среды способствовали следующие эволюционные процессы: — рост численности населения на Земле (демографический взрыв) и его урбанизация; — рост потребления и концентрации энергетических ресурсов; — интенсивное развитие промышленного и сельскохозяйственного производства; — массовое использование средств транспорта; — рост затрат на военные цели и ряд других процессов. ХХ столетие ознаменовалось потерей устойчивости в таких процессах, как рост населения Земли и его урбанизация. Это вызвало крупномасштабное развитие энергетики, промышленности, сельского хозяйства, транспорта, военного дела и обусловило значительный рост антропогенного и техногенного воздействий. В результате активной техногенной деятельности человека во многих регионах нашей планеты разрушена биосфера и создан новый тип среды обитания — техносфера. Техносфера — среда обитания, возникшая с помощью прямого или косвенного воздействия людей и технических средств на природную сре-ду с целью наилучшего соответствия среды социально-экономическим потребностям человека. Техносфера — детище ХХ в., приходящее на смену биосфере. Создавая техносферу, человек стремился к повышению комфортности среды обитания, росту коммуникабельности, обеспечению защиты от естественных негативных воздействий. Все это благоприятно отразилось на условиях жизни и в совокупности с другими факторами - (улучшение медицинского обслуживания и др.) положительно сказалось на продолжительности жизни людей. Появление техносферы привело к тому, что биосфера во многих регионах нашей планеты стала активно замещаться техносферой. В течение многих столетий люди совершенствовали технику, чтобы обезопасить себя от естественных опасностей, а в результате пришли к наивысшим техногенным опасностям, связанным с производством и использованием техники и технологии. К необходимости в защите от опасностей привели следующие потребности: Потребности общества: — сохранение здоровья и трудоспособности членов общества; — защита членов общества от естественных опасностей; — сохранение или рациональный рост численности членов общества в условиях воздействия опасностей от внешних причин. Потребности человека: — употребление качественных продуктов, питьевой воды, атмосферного воздуха; — защита жизни и здоровья от внешних опасностей среды обитания; — стремление к повышению СПЖ (средней продолжительности жизни); — другие. Жизнь человека требует определенного сочетания условий обитания. Если все условия среды обитания благоприятны, за исключением одного, то именно это условие становится решающим для жизни рассматриваемого организма. Оно лимитирует развитие организма. В соответствии с законом Либиха выносливость организма определяется самым слабым звеном в цепи его экологических потребностей. Разрушение организма возможно и под действием совокупности внешних факторов, т. е. при их сочетанном воздействии. Результат негативного внешнего влияния на организм зависит от свойств и параметров потока воздействия, а также от свойств организма. Научно-практическое сопровождение задач сохранения здоровья и жизни людей, взаимодействующих с техническими системами, реализующих технологические процессы и проживающих в современной техносфере, во многом достигается на основе научных знаний о БЖД человека. Безопасность жизнедеятельности — наука о комфортном и травмобезопасном взаимодействии человека с техносферой. (Понятие «безопасность жизнедеятельности» формализовано впервые в России в 1990 г. Решение Коллегии государственного комитета СССР по народному образованию № 8/3 от 27.04.90 имело название «О мерах по созданию системы непрерывного образования в области «безопасности жизнедеятельности».) Цель науки о БЖД — создание защиты человека в техносфере от внешних негативных воздействий антропогенного, техногенного и естественного происхождения. Объектом защиты от опасности является человек. Предмет исследований в науке о БЖД — это опасности и их совокупность (после опасностей), действующие в системах «объект защиты — источник опасности», а также средства и системы защиты от опасностей. В современной науке о БЖД используют ряд установившихся понятий. Прежде, всего это, понятие системы «человек — среда обитания», которое составляет основу научного знания, именуемого «экологией». В БЖД оно также широко используется для описания процессов негативного взаимодействия человека (коллектива людей, населения города, региона, страны, планеты Земля,) с окружающей его средой обитания. В современном мире для человека характерны два полярных вида среды обитания — природная (биосфера) и техносфера (производственная, селитебная и бытовая). Для описания БЖД человека в техносфере- характерен второй вид среды обитания. Реализация этого принципа в БЖД означает приоритетную деятельность, направленную на сохранение здоровья и жизни человека при воздействии на него внешних причин. К ней относят такие направления исследований, как идентификацию опасностей и зон их действия, разработку и применение человекозащитных средств, контроль их состояния и т. п. Понятие об основах взаимодействия в системе «человек — среда обитания»: «Взаимодействие человека со средой его обитания непрерывно по времени и основано на существовании потоков веществ, энергии и информации между элементами системы. Действующие потоки по отношению к каждому элементу системы «человек-среда обитания» являются внешними и могут восприниматься таким элементом как комфортные, допустимые, опасные и чрезвычайно опасные». Комфортные и допустимые потоки не оказывают негативного влияния на здоровье человека, а опасные и чрезвычайно опасные угрожают человеку потерей здоровья или летальным исходом. Обобщенное понятие «опасность» (для системы «человек –среда обитания») — свойство человека и компонент окружающей среды, способное причинять ущерб живой и неживой материи. Опасности возникают при достижении внешними потоками вещества, энергии и/или информации значений, превышающих способность к их восприятию любым элементом системы «человек — среда обитания» без нарушения своей функциональной целостности, т. е. без причинения ущерба. Применительно к БЖД (где основной объект защиты –это человек) термин «опасность» можно сформулировать таким образом: «Опасность — негативное свойство среды обитания, приводящее человека к потере здоровья или к гибели». Опасен весь материальный мир, окружающий человека, сообщества людей. Вероятность проявления опасности по отношению к другим материальным объектам существует всегда и везде. Понятие «поле опасностей» — совокупность опасностей в пространстве около объекта защиты. Поле опасностей в окружающей человека среде состоит из опасностей 1, 2, 3-го и т. д. кругов. Опасности 1-го круга угрожают непосредственно человеку, опасности 2-го круга влияют в основном на опасности 1-го круга и т. д. Понятие «источник опасности» — это компоненты биосферы и техносферы, космическое пространство, социальные и иные структуры, излучающие опасность. Для каждого источника опасности характерно наличие уровня, зоны и продолжительности действия опасности. Для описания источника опасности с позиций его негативного влияния на человека и среду обитания используют величину материальных отходов (выбросов, сбросов и отбросов), интенсивность энергетических излучений, отходящих от источника в зону пребывания человека в биосферу и его техногенный риск. Понятие «защита от опасностей» — способы и методы снижения уровня и продолжительности действия опасностей на человека в среде обитания. Принципиально защиту от опасностей реализуют снижением негативного влияния источников опасности (сокращением значения техногенного риска и размеров опасных зон), выведением человека из опасной зоны; применением экобиозащитной техники и средств индивидуальной защиты. Понятие «безопасность объекта защиты» — состояние объекта защиты, при котором воздействие на него потоков вещества, энергии и информации из окружающей среды не превышает максимально допустимых значений. Понятие «средняя продолжительность жизни» (СПЖ) — показатель уровня здоровья и безопасности жизни человека в среде обитания. СПЖ является интегральным параметром оценки взаимодействия человека с реальной средой обитания. На его значение существенно влияют многие факторы и прежде всего экономические показатели, уровни медицинского обслуживания и внешних факторов. СПЖ используют для оценки негативного влияния состояния среды обитания в отдельных государствах, городах, производствах в сравнении с лучшими достигнутыми показателями продолжительности жизни. В настоящее время наивысшие показатели продолжительности жизни в Японии. Понятие «условие реализации опасности» — реализация опасности возможна, если источник опасностей и объект защиты по координатам пребывания совпадают в пространстве и во времени. Термин «безопасность» имеет практическое значение лишь применительно к системе «объект защиты — источник опасности». Безопасность объекта (применительно к системе «объект защиты – источник опасности) — это состояние объекта, при котором воздействие на него всех потоков вещества, энергии и информации не превышает максимально допустимых значений. Термин «безопасность» широко используется в технике, социологии, праве. Словосочетания «безопасность труда», «безопасность АЭС», «безопасность движения», «радиационная безопасность», «экономическая безопасность» и т. п. привычны для широкого круга читателей, однако они не всегда имеют однозначное толкование и понимание. Например, когда говорят «безопасность труда», то имеют в виду безопасное по отношению к человеку проведение производственного процесса, рассматривая систему «человек — производство». Здесь все однозначно и понятно. Но, если говорят «безопасность АЭС», то в этом случае могут иметь в виду, с одной стороны, безопасность АЭС в режиме эксплуатации по отношению к человеку и окружающей среде, с другой — понятие «безопасность» можно трактовать и как обеспечение безопасной эксплуатации самой АЭС, т. е. как регламентированное проведение работ на АЭС, имея в виду, например, систему «АЭС — внешние факторы». В первом случае объектом защиты является человек, и это проблема БЖД, а во втором — сама АЭС, и это проблема сугубо техническая, связанная с правильным проектированием и эксплуатацией АЭС. Нормативами на обеспечение безопасности в первом случае являются нормы допустимого воздействия опасностей на людей, а во втором — требования к персоналу по соблюдению режима работы АЭС, требования к устройству АЭС и др. Чтобы правильно оценить содержание процесса обеспечения безопасности и указать его исполнителя, необходимо термин «безопасность» всегда рассматривать в системе «объект защиты — источник опасности». Например, словосочетание «безопасность автомобиля» может иметь отношение к системам «автомобиль — опасность» и «человек-автомобиль». В первом случае объектом защиты является автомобиль и решается задача обеспечения его безопасности при конструировании за счет поддержания его технического состояния и правильной эксплуатации, в том числе профессионального вождения. В этом случае задача сохранения эксплуатационной пригодности автомобиля решается автоспециалистами. Во втором случае обеспечивается безопасность человека, в том числе пассажиров, водителя и пешеходов при эксплуатации автомобиля. Эта задача полностью относится к проблемам БЖД и решается предъявлением требований к безопасности автомобилей, соблюдением правил дорожного движения всеми его участниками. Системы безопасности. Основное желаемое состояние человека как объекта защиты — безопасное. Оно реализуется при полном отсутствии негативных воздействий на него и достигается также при условии, когда действующие опасные потоки снижены системой защиты до предельно допустимых уровней воздействия. В реальных условиях на объект защиты могут действовать одновременно несколько источников опасности, создавая поле опасностей. Анализ таких систем безопасности достаточно сложен, и для рационального проведения исследований необходимо строго соблюдать правило единственности объекта защиты: «теоретический анализ и практическую деятельность по обеспечению безопасности необходимо проводить только для одного объекта защиты». Таким объектом защиты может быть человек, коллективы людей, рабочая зона, техносфера, регион и т. п. Это правило подтверждается принципами создания и реализации нормативов безопасности, которые индивидуальны для каждого объекта защиты. В общем понимании можно предполагать реализацию следующих систем безопасности, характерных для области защиты человека и человечества: — человек как отдельная личность в среде обитания; — группа людей в среде обитания; — население города (региона) в техносфере; — человечество в биосфере и техносфере; — жизнь на Земле в космической среде. Сегодня в России для защиты человека и зон его пребывания от опасностей реально существуют следующие системы безопасности: Все острее обозначается - система обеспечения безопасности людей — «безопасность жизнедеятельности человека в техносфере», которая решает задачу комплексного обеспечения безопасности в системе «человек — среда обитания» для техногенных условий обитания. 2. Экологические системы и их устойчивость. Любая единица, включающая все совместно функционирующие, организмы (биотическое сообщество) на данном участке и взаимодействующая с физической средой таким образом, что поток энергии создает определенные биотические структуры и круговорот веществ между живой и неживой частями, представляют собой экологическую систему, или экосистему. 1. Концепция экосистемы Главным предметом исследования в экосистеме становятся трансформации вещества и энергии между биотой и физической средой, биогеохимический круговорот веществ в целом (рис. 1). Это позволяет дать общую оценку результатов жизнедеятельности многих отдельных организмов, видов, как по биогеохимическим функциям, т. е. по характеру осуществляемых в природе процессов превращения вещества и энергии. Например, все высшие растения потребляют одни и те же вещества, все они используют свет и благодаря фотосинтезу, образуют близкие по составу органические вещества и выделяют кислород. Выделяют: микроэкосистемы (лишайники и т. п.); мезоэкосистемы (пруд, озеро, степь и др.); макроэкосистемы (континент, океан) и, наконец, глобальную экосистему (биосфера Земли) или экосферу —интеграция всех систем. Многие системы автономны —пруды, озера, океан, леса и др. Но даже биосфера Земли часть веществ отдает в космос и получает вещества из космоса. Таким образом, природные экосистемы — это открытые системы: они должны получать и отдавать вещества и энергию. Запасы веществ, усвояемые организмами и, прежде всего, продуцентами, в природе небезграничны. Если бы эти вещества не использовались многократно, а точнее не были бы вовлечены в этот вечный круговорот, то жизнь на Земле была бы вообще невозможна. Такой круговорот (рис. 1) биогенных компонентов возможен лишь при наличии функционально различных групп организмов, способных осуществлять и поддерживать поток веществ, извлекаемых ими из окружающей среды. Для поддержания круговорота веществ в экосистеме необходимы неорганические молекулы в усвояемой для продуцентов форме, консументы, питающиеся продуцентами и другими консументами, а также редуценты, восстанавливающие вещества. Рисунок 1. Схема переноса вещества (сплошная линия) и энергии (пунктирная линия) в природных экосистемах С точки зрения пищевых взаимодействий организмов, трофическая структура экосистемы делится на два яруса: 1) верхний —автотрофный ярус, или «зеленый пояс», включающий фотосинтезирующие организмы, создающие сложные органические молекулы из неорганических простых соединений, и 2) нижний —гетеротрофный ярус, или «коричневый пояс» почв и осадков, в котором преобладает разложение отмерших органических веществ снова до простых минералов. Чтобы разобраться в сложных биологических взаимодействиях в экосистеме, следует выделить ряд компонентов: 1) неорганические вещества(С,N, СО2, Н2О, Р, О и др.), участвующие в круговоротах; 2) органические соединения(белки, углеводы, липиды, гумусовые вещества и др.), связывающие биотическую и абиотическую части; 3) воздушную, водную и субстратную среду, включающую абиотические факторы; 4) продуцентов —автотрофных организмов, в основном зеленых растений, способных производить пищу из простых неорганических веществ; 5) консументов — гетеротрофы, в основном животные, питающиеся другими организмами или частицами органического вещества; 6) редуцентов—­ гетеротрофных организмов, в основном бактерий и грибов, получающих энергию путем разложения отмершей или поглощения растворенной органики. Фотосинтезирующие организмы и хемосинтезиующие, создают органические вещества на Земле продукцию в количестве 100 млрд т/год и примерно такое же количество веществ должно превращаться в результате дыхания растений в углекислый газ и воду. Однако этот баланс неточен. 2. Круговорот веществ в природе Основных круговоротов веществ в природе два: большой (геологический) и малый (биогеохимический). Большой круговорот веществ в природе (геологический) обусловлен взаимодействием солнечной энергии с глубинной энергией Земли и осуществляет перераспределение вещества между биосферой и более глубокими горизонтами Земли. Осадочные горные породы, образованные за счет магматических пород, в подвижных зонах земной коры вновь погружаются в зону высоких температур и дав­лений. Там они переплавляются и образуют магму —источник новых магматических пород. После поднятия этих пород на земную поверхность и действия процессов выветри­вания вновь происходит трансформация их в новые осадочные породы (рис.2). Символом круговорота веществ является спираль, а не круг. Это означает, что новый цикл круговорота не повторяет в точности старый, а вносит что-то новое, что со временем приводит к весьма значительным изменениям. Большой круговорот —это и круговорот воды между сушей и океаном через атмосферу. Влага, испарившаяся с поверхности Мирового океана (на что затрачивается почти половина поступающей к поверхности Земли солнечной энергии), переносится на сушу, где выпадает в виде осадков, которые вновь возвращаются в океан в виде поверхностного и подземного стока. Круговорот воды происходит и по более простой схеме: испарение влаги с поверхности океана —конденсация водяного пара —выпадение осадков на эту же водную поверхность океана. Подсчитано, что в круговороте воды на Земле ежегодно участвует более 500 тыс. км3 воды. Круговорот воды в целом играет основную роль в формировании природных условий на нашей планете. С учетом транспирации воды растениями и поглощения ее в биогеохимическом цикле, весь запас воды на Земле распадается и восста­навливается за 2 млн лет. Малый круговорот веществ в биосфере (биогеохимический), в отличие от большого, совершается лишь в пределах биосферы. Сущность его в образовании живого вещества из неорганических соединений в процессе фотосинтеза и в превращении органического вещества при разложении вновь в неорганические соединения. Рисунок 2. Большой круговорот веществ Этот круговорот для жизни биосферы —главный, и он сам является порождением жизни. Изменяясь, рождаясь и умирая, живое вещество поддерживает жизнь на нашей планете, обеспечивая биогеохимический круговорот веществ. Главным источником энергии круговорота является солнечная радиация, которая порождает фотосинтез. Эта энергия довольно неравномерно распределяется по поверхности земного шара. Кроме того, она теряется путем отражения, поглощается почвой, расходуется на транспирацию воды и т. д., как отмечали, на фотосинтез тратится не более 5%от всей энергии, но чаще всего 2—3%. В ряде экосистем перенос вещества и энергии осуществляется преимущественно посредством трофических цепей. Такой круговорот обычно называют биологическим. Он предполагает замкнутый цикл веществ, многократно используемый трофической цепью. В масштабах всей биосферы такой круговорот невозможен. Здесь действует биогеохимический круговорот, представляющий собой обмен макро- и микроэлементов и простых неорганических веществ с веществом атмосферы, гидросферы и литосферы. Круговорот отдельных веществ В. И. Вернадский назвал биогеохимическими циклами. Суть цикла в следующем: химические элементы, поглощенные организмом, уходя в абиотическую среду, затем, через какое-то время, снова попадают в живой организм и т. д. Такие элементы называют биофилъными. Этими циклами и круговоротом в целом обеспечиваются важнейшие функции живого вещества в биосфере. В. И. Вернадский выделяет пять таких функций: - первая функция — газовая —основные газы атмосферы Земли, азот и кислород, биогенного происхождения, как и все подземные газы —продукт разложения отмершей органики; - вторая функция — концентрационная —организмы накапливают в своих телах многие химические элементы. - третья функция — окислительно-восстановительная —организмы, обитающие в водоемах, регулируют кислородный режим и создают условия для растворения или же осаждения ряда металлов (V,Мn,Fе) и неметаллов (S) с переменной валентностью; - четвертая функция —биохимическая —размножение, рост и перемещение в пространстве живого вещества; -пятая функция - биогеохимическая деятельность человека —охватывает все разрастающееся количество веществ земной коры, в том числе таких концентраторов углерода, как уголь, нефть, газ и др., для хозяйственных и бытовых нужд человека. В биогеохимических круговоротах следует различать две части, или как бы два среза: 1) резервный фонд -это огромная масса движущихся веществ, не связанных с организмами; 2) обменный фонд -значительно меньший, но весьма активный, обусловленный прямым обменом биогенным веществом между организмами и их непосредственным окружением. Если же рассматривать биосферу в целом, то в ней можно выделить: 1) круговорот газообразных веществ с резервным фондом в атмосфере и гидросфере (океан) и 2) оса­дочный цикл с резервным фондом в земной коре (в геологическом круговороте). B связи с этим, следует отметить, лишь единственный на Земле процесс, который не тратит, а, наоборот, связывает солнечную энергию и накапливает ее —это создание органического вещества в результате фотосинтеза. В связывании и запасании солнечной энергии и заключается основная планетарная функция живого вещества на Земле. 3. Основные виды антропогенных воздействий на биосферу Биосфера, динамичная планетарная экосистема, во все периоды своего эволюционного развития постоянно изменялась под воздействием различных природных процессов. В результате длительной эволюции биосфера выработала способность к саморегуляции и нейтрализации негативных процессов. Достигалось это посредством сложного механизма круговорота веществ. Главным событием эволюции биосферы признавалось приспособление организмов к изменившимся внешним условиям. Гарантом динамической устойчивости биосферы в течение многих лет служила естественная биота в виде сообществ и экосистем в необходимом объеме. Однако по мере возникновения, совершенствования и распространения новых технологий (охота —земледельческая культура —промышленная революция) планетарная экосистема, адаптированная к воздействию природных факторов, все в большей степени стала испытывать влияние новых небывалых по силе, мощности и разнообразию воздействий. Вызваны они человеком, а потому называются антропогенными. Подантропогенными воздействиями понимают деятельность, связанную с реализацией экономических, военных, рекреационных, культурных и других интересов человека, вносящую физические, химические, биологические и другие изменения в окружающую природную среду. Известный эколог Б. Коммонер (1974) выделял пять, по его мнению, основных видов вмешательства человека в экологические процессы: — упрощение экосистемы и разрыв биологических циклов; — концентрация рассеянной энергии в виде теплового загрязнения; — рост ядовитых отходов от химических производств; — введение в экосистему новых видов; —появление генетических изменений в организмах растений и животных. Подавляющая часть антропогенных воздействий носит целенаправленный характер, т. е. осуществляется человеком сознательно во имя достижения конкретных целей. Нарушение основных систем жизнеобеспечения биосферы связаны в первую очередь с целенаправленными антропогенными воздействиями. По своей природе, глубине и площади распространения, времени действия и характеру приложения они могут быть различными. Анализ экологических последствий антропогенных воздействий позволяет разделить все их виды на положительные и отрицательные (негативные). К положительным воздействиям человека на биосферу можно отнести воспроизводство при­родных ресурсов, восстановление запасов подземных вод, рекультивацию земель на месте разработок полезных ископаемых и некоторые другие мероприятия. Отрицательное (негативное) воздействие человека на биосферу проявляется в самых разнообразных масштабных акциях: вырубке леса на больших площадях, истощении запасов пресных подземных вод, засолении и опустынивании земель, резком сокращении численности, а также видов животных и растений, и т. д. Главнейшим и наиболее распространенным видом отрицательного воздействия человека на биосферу является загрязнение. Большинство экологических ситуаций в мире так или иначе связаны с загрязнением окружающей природной среды (кислотные дожди, опасные отходы и т. д.). Поэтому понятие «загрязнение» рассмотрим подробнее. Загрязнением называют поступление в окружающую природную среду любых твердых, жидких и газообразных веществ, микроорганизмов или энергий (в виде звуков, шумов, излучений) в количествах, вредных для здоровья человека, животных, состояния растений и экосистем. Более развернутую характеристику этого понятия приводит известный французский ученый Ф. Рамад: «Загрязнение есть неблагоприятное изменение окружающей среды, которое целиком или частично является результатом человеческой деятельности, прямо или косвенно меняет распределение приходящей энергии, уровни радиации, физико-химические свойства окружающей среды и условия существования живых существ. Эти изменения могут влиять на человека прямо или через сель­скохозяйственную продукцию, через воду или другие биологические продукты (вещества)». По объектам загрязнения различают загрязнение поверхностных и подземных вод, загрязнение атмосферного воздуха, загрязнение почвы т. д. В последние годы актуальными стали и проблемы, связанные с загрязнением околоземного космического пространства. Источниками антропогенного загрязнения, наиболее опасного для популяций любых организмов, являются промышленные предприятия (химические, металлургические, целлюлозно-бумажные, строительных материалов и др.), теп­лоэнергетика, транспорт, сельскохозяйственное производство и другие технологии. Под влиянием урбанизации загрязнены территории крупных городов и промышленных агломераций. Природными загрязнителями могут быть пыльные бури, вулканический пепел, селевые потоки и др. По видам загрязнений выделяют химическое, физическое и биологическое загрязнение (рис. 3). По своим масштабам и распространению загрязнение может быть локальным, региональным и глобальным. Количество загрязняющих веществ в мире огромно, и число их по мере развития новых технологических процессов постоянно растет. В этом отношении «приоритет», как в локальном, так и в глобальном масштабе, ученые отдают следующим загрязняющим веществам: — диоксиду серы (с учетом эффектов вымывания диоксида се­ры из атмосферы и попадания образующихся серной кислоты и сульфатов на растительность, почву и в водоемы); — тяжелым металлам: в первую очередь свинцу, кадмию и особенно ртути (с учетом ее миграции и превращения в высокотоксичную метил ртуть); — некоторым канцерогенным веществам, в частности бенз(а)пирену; — нефти и нефтепродуктам в морях и океанах; — хлорорганическим пестицидам (в сельских районах); — оксиду углерода и оксидам азота (в городах). Под видами загрязнений понимают также любые нежелательные для экосистем антропогенные изменения ингредиентное (минеральное и органическое) загрязнение как совокупность веществ, чуждых естественным биогеоценозам (например, бытовые стоки, ядохимикаты, продукты сгорания и т. д); параметрическое загрязнение, связанное с изменениями качественных параметров окружающей среды (тепловое, шумовое, радиационное, электромагнитное); биоценотическое загрязнение, вызывающее нарушение в составе и структуре популяций живых организмов (перепромысел, акклиматизация ви­дов и т. д.); стациалъно-деструкционное загрязнение (стация —место обитания популяции, деструкция —разрушение), связанное с нарушением и преобразованием ландшафтов и экосистем в процессе природопользования (регулирование водотоков, урбанизация, вырубка лесных насаждений и пр.). Можно отметить, что воздействие человека на биосферу в целом и на отдельные ее компоненты (атмосферу, гидросферу, литосферу и биотические сообщества) достигло к настоящему времени беспрецедентных размеров. Современное состояние планеты Земля оценивается как глобальный экологический кризис. Негативные тенденции этих воздействий человека на биоту носят не только выраженный локальный, но и глобальный характер. Рисунок 3. Виды загрязнения окружающей среды Антропогенные воздействия на атмосферу Вопрос о воздействии человека на атмосферу находится в центре внимания специалистов и экологов всего мира. И это не случайно, так как крупнейшие глобальные экологические проблемы современности — «парниковый эффект», нарушение озонового слоя, выпадение кислотных дождей, связаны именно с антропогенным загрязнением атмосферы. Охрана атмосферного воздуха —ключевая проблема оздоровления окружающей природной среды. Атмосферный воздух занимает особое положение среди других компонентов сферы. Человек может находиться без пищи пять недель, без воды —пять дней, а без воздуха всего лишь пять минут. При этом воздух должен иметь определенную чистоту и любое отклонение от нормы опасно для здоровья. Атмосферный воздух выполняет и сложнейшую защитную экологическую функцию, предохраняя Землю от абсолютно холодного Космоса и потока солнечных излучений. В атмосфере идут глобальные метеорологические процессы, формируются климат и погода, задерживается масса метеоритов. Атмосфера обладает способностью к самоочищению. Оно происходит при вымывании аэрозолей из атмосфер осадками, турбулентном перемешивании приземного слоя воздуха, отложении загрязненных веществ на поверхности земли и т.д. Однако в современных условиях возможности природных систем самоочищения атмосферы серьезно подорваны. При антропогенных загрязнениях в атмосфере стали проявляться нежелательные экологические последствия, в том числе и глобального характера. По этой причине атмосферный воздух уже не в полной мере выполняет свои защитные, терморегулирующие и жизнеобеспечивающие экологические функции. Под загрязнением атмосферного воздуха следует понимать любое изменение его состава и свойств, которое оказывает негативное воздействие на здоровье человека и животных, состояние растений и экосистем. Загрязнение атмосферы может быть естественным (природным) и антропогенным (техногенным). Естественное загрязнение воздуха вызвано природными процессами. К ним относятся вулканическая деятельность, выветривание горных пород, ветровая эрозия, массовое цветение растений, дым от лесных и степных пожаров и др. Антропогенное загрязнение связано с выбросом различных загрязняющих веществ в процессе деятельности человека. По своим масштабам оно значительно превосходит природное загрязнение атмосферного воздуха. В зависимости от масштабов распространения выделяют различные типы загрязнения атмосферы: местное, региональное и глобальное. Местное загрязнение характеризуется повышенным содержанием загрязняющих веществ на небольших территориях (город, промышленный район, сельскохозяйственная зона и др.). При региональном загрязнении в сферу негативного воздействия вовлекаются значительные про­странства, но не вся планета. Глобальное загрязнение связано с изменением состояния атмосферы в целом. По агрегатному состоянию выбросы вредных веществ в атмосферу классифицируются на: 1) газообразные (диоксид серы, оксиды азота, оксид углерода, углеводороды и др.); 2) жидкие (кислоты, щелочи, растворы солей и др.); 3) твердые (канцерогенные вещества, свинец и его соединения, органическая и неорганическая пыль, сажа, смолистые вещества и прочие). Главные загрязнители (поллютанты) атмосферного воздуха, образующиеся в процессе производственной и иной деятельности человека —диоксид серы (SO2), оксид углерода (СО) и твердые частицы. На их долю приходится около 98 %в общем, объеме выбросов вредных веществ. Помимо главных загрязнителей, в атмосфере городов и поселков наблюдается еще более 70 наименований вредных веществ, среди которых — формальдегид, фтористый водород, соединения свинца, аммиак, фенол, бензол, сероуглерод и др. Однако именно концентрации главных загрязнителей (диоксид серы и др.) наиболее часто превышают допустимые уровни во многих городах. Наиболее опасное загрязнение атмосферы —радиоактивное. В настоящее время оно обусловлено в основном глобально распределенными долгоживущими радиоактивными изотопами —продуктами испытания ядерного оружия, проводившихся в атмосфере и под землей. Еще одной формой загрязнения атмосферы является локальное избыточное поступление тепла от антропогенных источников. Признаком теплового (термического) загрязнения атмосферы служат так называемые термические юны, например, «остров тепла» в городах, потепление водоемов и т. п. Основные источники загрязнения атмосферы. В настоящее время основной вклад в загрязнение атмосферного воздуха следующие отрасли: теплоэнергетика (тепловые и атомные электростанции, про­мышленные и городские котельные и др.), далее предприятия черной металлургии, нефтедобычи и нефтехимии, автотранспорт, предприятия цветной металлургии и производство стройматериалов. Роль различных отраслей хозяйства в загрязнении атмосферы в развитых промышленных странах Запада несколько иная. Так, например, основное количество выбросов вредных веществ в США, Великобритании и Германии приходится на авто­транспорт (50—60%), тогда как на долю теплоэнергетики зна­чительно меньше, всего 16—20%. Тепловые и атомные электростанции. Котельные установки. В процессе сжигания твердого или жидкого топлива в атмосферу выделяется дым, содержащий продукты полного (диоксид углерода и пары воды) и неполного (оксиды углерода, серы, азота, углеводороды и др.) сгорания. Объем энергетиче­ских выбросов очень велик. Так, современная теплоэлектростанция мощностью 2,4млн кВт расходует до 20 тыс. т угля в сутки и выбрасывает в атмосферу в сутки 680 т SO2 и SO3, 120-140 т твердых частиц (зола, пыль, сажа), 200 т оксидов азота. Перевод установок на жидкое топливо (мазут) снижает выбросы золы, но практически не уменьшает выбросы оксидов серы и азота. Наиболее экологично газовое топливо, которое в три раза меньше загрязняет атмосферный воздух, чем мазут, и в пять раз меньше, чем уголь. Крупный источник энергетического загрязнения атмосферы —отопительная сис­тема жилищ (котельные установки) дает мало оксидов азота, но много продуктов неполного сгорания. Из-за небольшой высоты дымовых труб токсичные вещества в высоких концентрациях рассеиваются вблизи котельных установок. Черная и цветная металлургия. При выплавке одной тонны стали в атмосферу выбрасывается 0,04 т твердых частиц,0,03 т оксидов серы и до 0,05 т оксида углерода, а также в небольших количествах такие опасные загрязнители, как марганец, свинец, фосфор, мышьяк, пары ртути и др. В процессе сталеплавильного производства в атмосферу выбрасываются смеси, состоящие из фенола, формальдегида, бензола, аммиака и других токсичных веществ. Значительные выбросы отходящих газов и пыли, содержа­щих токсичные вещества, отмечаются на заводах цветной металлургии при переработке свинцово-цинковых, медных, сульфидных руд, при производстве алюминия и др. Химическое производство. Выбросы этой отрасли, хотя и невелики по объему (около 2% всех промышленных выбросов), тем не менее, ввиду своей весьма высокой токсичности, значительного разнообразия и концентрированное представляют значительную угрозу для человека и всей биоты. На разнообразных химических производствах атмосферный воздух загрязняют оксиды серы, соединения фтора, аммиак, нитрозные газы (смесь оксидов азота), хлористые соединения, сероводород, неорганическая пыль и т. п.). Выбросы автотранспорта. В мире насчитывается несколько сот миллионов автомобилей, которые сжигают огромное количество нефтепродуктов, существенно загрязняя атмосферный воздух, прежде всего в крупных городах. Выхлопные газы двигателей внутреннего сгорания содержат огромное количество токсичных соединений —бенз(а)пирена, альдегидов, оксидов азота и углерода и особо опасных соединений свинца (в случае применения этилированного бензина). Наибольшее количество вредных веществ в составе отработавших газов образуется при не отрегулированной топливной системе автомобиля. Правильная ее регулировка позволяет снизить их количество в 1,5 раза, а специальные нейтрализаторы снижают токсичность выхлопных газов в шесть и более раз. Интенсивное загрязнение атмосферного воздуха отмечается также при добыче и переработки минерального сырья, на нефте- и газоперерабатывающих заводах, при вы­бросе пыли и газов из подземных горных выработок, при сжигании мусора и горении пород в отвалах (терриконах) и т. д. В сельских районах очагами загрязнения атмосферного воздуха являются животноводческие и птицеводческие фермы, промыш­ленные комплексы по производству мяса, распыление пестицидов и т. д. Особые виды воздействия на биосферу К числу особых видов антропогенного воздействия на биосферу относят: 1) загрязнение среды опасными отходами; 2) шумовое воздействие; 3) биологическое загрязнение; 4) воздействие электромагнитных полей и излучений и некоторые другие виды воздействий. Загрязнение среды отходами производства и потребления Одной из наиболее острых экологических проблем в настоящее время является загрязнение окружающей природной среды отходами производства и потребления и в первую очередь опасными отходами. Сконцентрированные в отвалах, хвостохранилищах, терриконах, свалках отходы являются источником загрязнения атмосферного воздуха, подземных и поверхностных вод, почв и растительности. Все отходы подразделяют на бытовые и промышленные(производственные). Бытовые отходы могут находиться как в твердом, так и жидком и реже —в газообразном состояниях. Твердые бытовые отходы (ТБО) — совокупность твердых веществ (пластмасса, бумага, стекло, кожа и др.) и пищевых отбросов, образующихся в бытовых условиях. Жидкие бытовые отходы представлены в основном сточными водами хозяйственно-бытового назначения. Газообразные —выбросами различных газов. Промышленные (производственные) отходы(ОП) — это остатки сырья, материалов, полуфабрикатов, образовавшихся при производстве продукции или выполнении работ и утратившие полностью или частично исходные потребительские свойства. Они бывают твердыми (отходы металлов, пластмасс, древесина и т.д.), жидкими (производственные сточные воды, отработанные органические растворители и т. д.) и газообразные (выбросы промышленных печей, автотранспорта и т. д.). Промышленные отходы, так же, как и бытовые, из-за недостатка полигонов захоронения в основном вывозятся на несанкционированные свалки. Обезвреживается и утилизируется только 1/5часть. Наибольшее количество промышленных отходов образует угольная промышленность, предприятия черной и цветной металлургии, тепловые электростанции, промышленность строительных материалов. Экологические кризисные ситуации, возникающие в различных точках планеты, во многих случаях обусловлены негативным воздействием так называемых опасных отходов. Под опасными отходами понимают отходы, содержащие в своем составе вещества, которые обладают одним из опасных свойств (токсичность, взрывчатость, инфекционность, пожароопасность и т. д.) и присутствуют в количестве, опасном для здоровья людей и окружающей природной среды. Опасные отходы стали проблемой века и для борьбы с ними предпринимаются огромные усилия во всем мире. Радиоактивные отходы (РАО) —твердые, жидкие или газообразные продукты ядерной энергетики, военных производств, других отраслей промышленности и систем здравоохранения, содержащие радиоактивные изотопы в концентрации, превышающей утвержденные нормы. Радиоактивные элементы, например, стронций-90, передвигаясь по пищевым (трофическим) цепям, вызывают стойкие нарушения жизненных функций, вплоть до гибели клеток и всего организма. Некоторые из радионуклидов могут сохранять смертоносную токсичность в течение 10—100 млн лет. Огромное количество небольших захоронений радиоактивных отходов рассеяно по всему миру. Так, только в США их выявлено несколько десятков тысяч, из которых многие являются активными источниками радиоактивного излучения. Проблема радиоактивных отходов со временем будет еще более острой и актуальной. Диоксин содержащие отходы образуются при сжигании промышленного и городского мусора, бензина со свинцовыми присадками и как побочные продукты в химической, целлюлозно-бумажной и электротехнической промышленности. Установлено, что диоксины образуются также при обезвреживании воды хлорированием при производстве пестицидов. Диоксины —синтетические органические вещества из класса хлоруглеводородов. Диоксины 2, 3, 7, 8, —ТХДД и диоксиноподобные соединения (более 200) —самые токсичные из полученных человеком веществ. Они обладают мутагенным, канцерогенным, действием; подавляют иммунную систему («диоксиновый СПИД») и в случае получения человеком через продукты питания или в виде аэрозолей достаточно высоких доз вызывают — постепенное истощение и смерть без явно выраженных патологических симптомов. Биологическое действие диоксинов проявляется уже в исключительно низких дозах. Впервые в мире диоксиновая проблема возникла в США в 30—40 гг. Серьезную экологическую опасность для человека и биоты представляют также отходы, содержащие пестициды, бенз(а)пирен и другие токсиканты. Кроме того, следует учитывать, что за последние десятилетия человек, качественно изменив химическую обстановку на планете, включил в круговорот совершенно новые, весьма токсичные вещества, экологические последствия от использования которых еще не изучены. Под биологическим загрязнением понимают привнесение в экосистемы в результате антропогенного воздействия нехарактерных для них видов живых организмов (бактерий, вирусов и др.), ухудшающих условия существования естественных биотических сообществ или негативно влияющих на здоровье человека. Основными источниками биологического воздействия являются сточные воды предприятий пищевой и кожевенной промышленности, бытовые и промышленные свалки, канализационная сеть, поля орошения и др. Из этих источников разнообразные органические соединения и патогенные микроорганизмы попадают в почву, горные породы и подземные воды. Особую опасность представляет биологическое загрязнение среды возбудителями инфекционных и паразитарных болезней. Значительные изменения окружающей среды в результате антропогенного воздействия приводят к непредсказуемым последствиям в поведении популяций возбудителей и переносчиков опасных для человека и животных болезней. 4. Экологическое нормирования качества окружающей природы. Под качеством окружающей природной среды понимают степень соответствия ее характеристик потребностям людей и технологическим требованиям. В основу всех природоохранных мероприятий положен принцип нормирования качества окружающей природной среды. Этот термин означает установление нормативов (показателей) предельно допустимых воздействий человека на окружающую природную среду. Соблюдение экологических нормативов, т.е. нормативов, которые определяют качество природной среды, обеспечивает: — экологическую безопасность населения; — сохранение генетического фонда человека, растений и животных; — рациональное использование и воспроизводство природных ресурсов в условиях устойчивого развития. Чем меньше пороговая величина экологических нормативов, тем выше качество окружающей природной среды. Однако более высокое качество требует соответственно больших затрат, эффективных технологий и высокочувствительных средств контроля. Поэтому нормативы качества окружающей природной среды по мере подъема уровня развития общества имеют тенденцию к ужесточению. Основные экологические нормативы следующие: — предельно допустимая концентрация вредных веществ (ПДК); — предельно допустимый уровень воздействий (ПДУ); — предельно допустимый выброс вредных веществ (ПДВ); — предельно допустимый сброс вредных веществ (ПДС); — допустимая нагрузка на окружающую — природную среду (ПДН). Нормативы ПДК и ПДУ относят к санитарно-гигиеническим, ПДВ и ПДС —к производственно-хозяйственным, а ПДН — к комплексным показателям качества окружающей природной среды. Предельно допустимая концентрация (ПДК) —представляет собой количество загрязнителя в почве, воздушной или водной среде, которое при постоянном или временном воздействии на человека не влияет на его здоровье и не вызывает неблагоприятных последствий у его потомства. В последнее время при определении ПДК учитывается не только степень влияния загрязнения на здоровье человека, но и воз­действие этих загрязнений на диких животных, растения, грибы, микроорганизмы, а также на природные сообщества в целом. ПДК устанавливают на основании комплексных исследований и постоянно контролируют органами соответствующих служб. ПДК не остаются постоянными, их периодически пересматривают, уточняют. После утверждения норматив становится юридически обязательным. Для нормирования содержания вредного вещества в атмосферном воздухе установлены два норматива —разовый и среднесуточный ПДК. Максимально разовая предельно-допустимая концентрация (ПДК м. р.) —это такая концентрация вредного вещества в воздухе, которая не должна вызы­вать при вдыхании его в течение 30 мин рефлекторных реакций в организме человека (ощущение запаха, изменение световой чувствительности глаз и др).Среднесуточная предельно-допустимая концентрация (ПДК с. с.) —это такая концентрация вредного вещества в воздухе, которая не должна оказывать на человека прямого или косвенного вредного воздействия при неопределенно долгом воздействии. При содержании в воздухе нескольких загрязняющих веществ, обладающих суммацией действия (синергизмом), например, диоксидов серы и азота; озона, диоксида азота и формальдегида, сумма их концентраций не должна превышать при расчете единицы: Под предельно допустимой концентрацией вредного вещества в почве (ПДК, мг/кг) понимают такую максимальную концентрацию, которая не может вызвать прямого или косвенного влияния на среду, нарушить само очищающую способность почвы и оказать отрицательное воздействие на здоровье человека. Для водной среды ПДК загрязняющих веществ означает такую концентрацию этих веществ в воде, выше которой она становится непригодной для одного или нескольких видов водопользования. ПДК загрязняющих веществ устанавливаются отдельно для питьевых вод. Установлены также предельно допустимые уровни (ПДУ) воздействия шума, вибрации, магнитных полей и иных вредных физических воздействий. Предельно допустимый выброс (ПДВ), ила сброс (НДС), — это максимальное количество загрязняющих веществ, которое в единицу времени может быть выброшено данным конкретным предприятием в атмосферу (ПДВ) или сброшено в водоем (ПДС), не вызывая при этом превышения в них предельно допустимых концентраций загрязняющих веществ и неблагоприятных экологических последствий. Нормативами установлено; что если в воздухе городов или других населенных пунктов, где расположены предприятия, концентрации вредных веществ превышают ПДК, а значения ПДВ по объективным причинам не могут быть достигнуты, вводится поэтапное снижение выброса вредных веществ до зна­чений, обеспечивающих ПДК. При этом могут быть установлены временно согласованные выбросы (ВСВ)на уровне вы­бросов предприятий с наиболее совершенной или аналогичной технологией. Основным комплексным нормативом качества окружающей природной среды является предельно допустимая норма нагрузки (ПДН). Предельно допустимые нормы нагрузки на природную среду (ПДН) —это максимально возможные антропогенные воздействия на природные ресурсы или комплексы, не приводящие к нарушению устойчивости экологических систем. Для оценки общей устойчивости экосистем к антропогенным воздействиям используют следующие показатели: 1) запасы живого и мертвого органического вещества; 2) эффективность образования органического вещества или продукции растительного покрова и 3) видовое и структурное разнообразие. Ученые-экологи установили, что стабильность среды обитания не только растительного, но и животного мира, а в конечном счете и человека определяется, в первую очередь, массой живого органического вещества и его основной части —фитомассы (древесина, травянистая растительность и др.). Чем значительнее эта масса, тем стабильнее среда. Способность экосистем в минимальные сроки восстановиться в случае антропогенного нарушения определяется другим показателем —эффективностью образования продукции растительного покрова в результате вторичной сукцессии. Чем выше структурное и видовое разнообразие экосистем, тем большее число комбинаций структурных элементов может создать она в ответ на внешнее антропогенное воздействие. Структурное разнообразие экосистемы можно оценить, сравнивая запасы фитомассы (древесина, травянистая растительности, и др.) и зоомассы (хищники, копытные, грызуны и т. д.). Способность природной среды перенести ту или иную антропогенную нагрузку без нарушения основных функций экосистем определяется термином емкость природной среды. Понятие о предельно допустимой антропогенной нагрузке на природную среду, должно лежать в основе всего природопользования. В связи с этим он различает экстенсивное и равновесное природопользование. Экстенсивное (расширяющееся) природопользование — когда рост производства осуществляется за счет возрастающей нагрузки на природные комплексы, причем эта нагрузка растет быстрее, чем увеличивается масштаб производства. Экстенсивное природопользование может привести к полному разрушению природного комплекса. Равновесное природопользование — когда общество контролирует все стороны своего развития, добиваясь того, чтобы с антропогенная нагрузка на среду не превышала самовосстановительного потенциала природных систем. Отсюда вытекает важный вывод о том, что регулирование качества природной среды должно начинаться с определения нагрузок, допустимых с экологической точки зрения, а региональное природопользование должно соответствовать экологической «выносливости» территории.