Экология

С XV века проблема окружающей среды стала актуальной. Американец потребляет в 130 раз больше энергии, чем средний африканец и в 20 раз больше, чем средний европеец.

Экология – это наука о взаимоотношениях между живыми организмами, биологическими системами и средой обитания. Экология изучает в том числе вопросы природопользования.

Природопользование – это взаимодействие человека и природы во всём его многообразии. Взаимодействие промышленности с окружающей средой рассматривается как одна из составляющих частей природопользования. Этот процесс носит социальный характер и совершается в рамках общественных отношений конкретного способа производства.

Окружающая среда – это среда обитания, представляющая собой совокупность всех материальных тел, сил и явлений природы. Она включает любую деятельность человека, находящуюся в непосредственном контакте с живыми организмами. Окружающая среда является сферой деятельности человека.

Географическая среда – это та часть природной среды, которую человек может приспособить для удовлетворения своих материальных и духовных потребностей. Свойства географической среды являются первым условием развития материального производства.

Природные богатства – это совокупность веществ и сил природы, которые могут быть использованы.

По мере прогресса производительных сил меняется структура природных богатств, и в неё включаются новые элементы.

Природные ресурсы – это часть природных богатств, которая может быть использована в производительном или личном потреблении на данном этапе развития общества и постоянно расширяется по мере развития производительных сил. Всю историю человечества можно рассматривать через призму взаимоотношений общества с окружающей средой. Окружающая среда является первоосновой получения человеком ресурсов и благ. При этом уровень и характер воздействия общества на природную среду в значительной степени определяется научно-техническим прогрессом, имеющим скачкообразный характер. Промышленный переворот в европейских странах в XVIII-XIX в. положил начала использования сил пара, воды, электричества, минерального топлива, станков и механизмов. Регенерация организма (клонирование) из одной клетки является более высокой степенью воздействия на окружающую среду.

Воздействие общества на окружающую среду является следствием технических процессов, основным воплощением которых является прогресс. Цивилизация с таким взаимоотношением человека с природой называется технологической.

Основная причина изучения экологии – это связь с важнейшими проблемами человечества:

- истощение природных ресурсов;

- загрязнение окружающей среды;

- изменение естественных сообществ.

Промышленное развитие влечёт развитие процессов: индустриализацию, урбанизацию, рост численности населения. Это ведёт к обострению проблем:

- ущерба, наносимого производством природной среде;

- рост недостатка сырья и энергии;

- развитие городских территорий.

Популяция – это группа особей любого вида организмов.

Сообщество включает все популяции на данной площади (биоценоз).

Экосистема – сообщества и неживая среда, функционирующие совместно.



Взаимодействие промышленности с окружающей средой.

Эколого-экономические принципы природопользования:

1) Сохранение пространственной ценности.

2) Принцип рулевого уровня использования.

3) Принцип ответственности антропогенных нагрузок региона и их соответствие природно-ресурсному потенциалу.

4) Природа обусловленного круговорота веществ.

5) Согласование производственного и природного ритма.

6) Приоритетность экологической оптимальности.

Экологические концепции природопользования:

1) Технологический оптимизм.

2) Технологический пессимизм.

3) Финалистические концепции будущего.

  Медоуз Форрестер.

4) Нулевой экономический рост.

5) Потребительская концепция.

6) Технократическая концепция.

7) Концепция неисчерпаемости природных ресурсов.

8) Экологический колоннизм.

Последствия воздействия промышленности на окружающую среду.

Развитие процессов индустриализации, урбанизации и роста численности населения ведут к ущербу окружающей среды.

Формирование трёх источников воздействия на окружающую среду:

- уменьшение разнообразия естественной среды.



Схема взаимодействия общества и природы.



Стрелочками 1, 2, 3, 4 обозначены потоки отходов: газообразных, жидких, твёрдых, энергетических.

Отходы производства – это остатки материалов, сырья, полуфабрикатов, образовавшиеся в процессе изготовления продукции и утратившие полностью или частично свои полезные или физические свойства. Пример: продукты, образовавшиеся в результате физико-химических производств сырья.

Различают возвратные и безвозвратные отходы производства.

Безвозвратные – это отходы, которые (нельзя переработать) не могут быть использованы в производстве на данном развитии промышленности.

Отходы производственного потребления – это непригодные для дальнейшего использования по прямому назначению и списанные в установленном порядке машины, инструменты и предметы промышленного отношения.



Пасса обмен современного промышленного города.











Характеристика окружающей среды.

Структура биосферы и её восстановительные свойства.

Биосфера – это самая крупная биологическая система, в которой возможна постоянная жизнь.

Структура биосферы.

Биосфера включает:

1) Живое вещество.

2) Биогенное вещество.

3) Биокостное вещество, созданное живыми организмами вместе с неживой природой.

Состав биосферы:

- атмосфера, включает газовую смесь, азот, кислород 20,95%, аргон, CO2  0,03%, инертные газы и другие газы;

- твёрдые частицы;

- продукты растительного, животного происхождения и водяной пар;

- гидросфера, источники пресных вод, мировой океан;

- литосфера – это биокостная система, основанная на биологическом взаимодействии между минеральными компонентами (песок, глина, вода).



Учение Вернадского о биосфере.

Основные положения о биосфере, её структуре  и развитии были разработаны Вернадским.

Основные положения:

1. В результате эволюции биосферы она преобразуется в ноосферу (сферу разума). Он рассматривал единство всех процессов самоорганизации материи.

2. Эволюционные процессы многократно ускоряются из-за возрастающего воздействия человека на природу. Определяющим фактором в её развитии является человек.

3. Коллективный разум способен определить пути эволюционного развития.

Механизмы эволюции:

- классические (т. Дарвина);

- биффуркационные процессы – качественные скачкообразные изменения, являющиеся одной из основных причин необратимости процесса развития.

Изучает эти механизмы теория катастроф. Основоположники теории: Пуанкаре, Ренс Тома.

Реализовать направленное развитие можно при условиях наличия:

Цели: совместное, гармоничное развитие природы и общества.

Для этого необходимо знать величины параметров, характеризующих биосферу и их критические значения, которые определяют поворотные пункты в её эволюции.

2. Наличие средств:

- новые технологии, позволяющие использовать силы природы;

- новая техника;

- энергия, производимая человеком.

Диалектика состоит в том, что уберечь от катастрофических последствий цивилизации могут лишь средства, созданные ей.

Научный прогноз путей эволюции средствами:

- системного анализа;

- математического моделирования;

- компьютерной техники.



Факторы окружающей среды.

Факторами окружающей среды называется любой элемент среды, способный оказывать прямое воздействие на живые организмы, хотя бы на протяжении одной из стадий развития.

Различают биотический, абиотический и антропогенный факторы.

Антропогенные факторы обусловлены воздействием человека на среду.

Биотические факторы обусловлены воздействием живых организмов друг на друга.

Абиотические факторы – физико-химические факторы среды: температура, давление, излучение, свет.



Для экологии важны характеристики:

- длина волны, интенсивность и продолжительность;

- вода. Основные характеристики: количество осадков, влажность, иссушающие свойства воздуха и доступная площадь водного запаса (поверхность водосбора);

- климат – совместная деятельность температуры и влажности;

- атмосферные газы (кислород, углекислый газ CO2);

- биогенные соли – это растворённые соли, жизненно необходимые организмам. Различают микроэлементы (Fe, Cu, Zn, B, I) и макроэлементы (Na, Ca, K, S, Cl);

- давление;

- почва, состоит из почвенных горизонтов, составляющих почвенный покров:



A – гумус;

B – минеральная почва.

C – неизменная почвенная порода.



Самоочищающие свойства окружающей среды.

1) Динамический перенос (гидро и геофизический)

2) Биохимическое окисление

3) Химическое и физическое превращения

4) Осаждение (седиментация) абиогенных частиц

5) Биоседиментация. 

При определении самоочищающих возможностей среды необходимо учитывать все вышеназванные процессы. Предпочтение отдаётся биологическим процессам.



Экологическое нормирование – система отношений, выявляющая ПДК вредных веществ.

Для оценки факторов и эффектов воздействия на среду необходимо пользоваться установленными критериями: значениями ПДК, уровней экологических нагрузок, выбросов и сбросов. При определении этих критериев учитываются геофизические и экономические возможности по ограничению выбросов. Высокое качество среды сохраняется, если изменения её состояния происходят в пределах границ, называемых допустимыми, и небольшие изменения качества среды не влияют на её нормальное функционирование. За первоначальное принимается фоновое состояние среды при отсутствии возмущающего воздействия при средних метеорологических условиях. Различие между предельно допустимым и фактическим состоянием среды составляет экологический резерв окружающей среды. Он характеризует её способность к восстановлению, воспроизводству и является основой для расчёта допустимых нагрузок. Различают два подхода определения допустимых нагрузок: санитарно-гигиенический и экологический подходы. Они различаются уровнем требованием.



Система параметров, характеризующих границу предельно допустимого.

1) Нормативы предельно допустимых уровней изменения среды:

а) ПДК;

б) ПДУ (уровни).

2) Нормативы ПДВ (воздействия). Предельно допустимые выбросы в водоёмы, атмосферу, почву.

3) Нормативы ПДЭН (экологических нагрузок).

4) Нормативы извлечения полезных компонентов из свойств природы: полезных ископаемых, комплексное использование отходов, урожайность сельскохозяйственных культур.

5) Нормативы надёжности преобразовательных мероприятий (инженерных сооружений) с точки зрения их воздействия на окружающую среду.

6) Параметры допустимости природопреобразования предприятий (осушение, застройка).

7) Показатель устойчивости природных комплексов и их компонентов.

8) Распространение вещества в окружающей среде. 

Распространение загрязнений обусловлено естественными процессами и зависит от физико-химических свойств веществ; от физических процессов, связанных с их переносом, биологических процессов, принимающих участие в глобальных процессах круговорота веществ. Циклические процессы в отдельных природных системах.

Перенос веществ в гидросфере.

Пасса – перенос растворённых химических веществ и является функцией диффузий, конвекций, дисперсий, разложения биотических и абиотических реакций.

Перенос между средами.

а) почва-вода (за счёт адсорбции)

б) вода-воздух (диффузия)

в) воздух-вода (сухое осаждение).



Атмосферный перенос.

За счёт процессов перемешивания и воздушных течений. В тропосфере за 3-4 месяца. В стратосфере за 2 года.

Атмосферный перенос



                     локальный масштаб                                               региональный

                      (несколько минут)             глобальный            (несколько суток)

                                                         (до нескольких недель)



Океаническая циркуляция.

Воздушный перенос поверхности водами.

Биотический перенос загрязнений.

Важную роль переноса материи в экосистемах играют циклы, отличающиеся преобразованием энергии. Химические элементы циркулируют в биосфере по харатерным путям. Эти, в большей или меньшей степени, замкнутые пути называются биогеохимическими круговоротами.

Движения жизненеобходимых веществ и неорганических соединений называются круговоротами питательных веществ.

В каждом круговороте удобно различать две части или фонда:

- резервный (большая масса веществ);

- обменный фонд (меньший, но более активный). Для него характерен быстрый обмен между организмами и средой.

В биосфере в целом различают два вида круговорота:

- круговорот газообразных веществ;

- осадочный цикл с резервным фондом в земной поверхности.



Перемещение вещества в экосистемах по пищевым цепям.

Пищевой цепью называется ряд живых организмов, в котором одни организмы поедают предшественника по цепи и в свою очередь оказываются съеденными теми, кто следует за ними. Основные функции пищевой цепи – перенос веществ и энергии в экосистемах.

Пищевые цепи перекрещиваются, образуя пищевую сеть (трофическую сеть).

                                     сова               шакал



трава           кролик             лиса

                                     

                                    волк

Биотический перенос осуществляется по цепи питания и в результате перемещения животных. Биотическая минерализация преобладает в процессе разложения органических веществ.



Критерии и концепции изучения веществ.

Критерии изменения состава окружающей среды:

- объём производства;

- области применения;

- распространение в окружающей среде;

- устойчивость и способность к разложению.

Устойчивость – это свойство вещества, определяющее длительность его пребывания в среде. Прежде чем оно выводится из среды или претерпевает изменения.

Бывает целевая, желательная и нежелательная устойчивость.

Превращение – изменение структуры веществ под воздействием факторов среды.

Бывают биотические и абиотические. К абиотическим относятся окислительно-восстановительные процессы, фотохимические, фотофизические и т.д.

Токсические свойства – свойства, определяющие, на сколько то или иное вещество опасно.

Опасные вещества и анализ риска.

Опасность вещества – это вероятность возникновения вредных для экосистемы эффектов в условиях производства и применения вещества. Оценка вещества с точки зрения опасности или риска применения складывается из экспозиции – действующей дозы, т.е. концентрации вещества, воздействующего на объект в течение времени.

Токсичность – потенциальное воздействие для конкретных особей или экосистемы, зависящее от концентрации.

Степень опасности складывается из токсичности и экспозиции.

Риск – мера вероятности появления нарушения соответствующей тяжести.



Загрязнение окружающей среды отходами промышленного производства.

Классификация загрязнений. Существуют различные виды классификаций: по типам сред, по загрязняющим факторам (свинец, ртуть, твёрдые отходы и т.д.), с точки зрения уменьшения загрязнений в целом, различают стойкие и нестойкие.

Стойкие отходы – не разлагающиеся, не разрушаются или разлагаются слишком медленно. Для них не существует природных процессов, которые бы их разлагали с такой же скоростью, с какой они поступают в природную среду. Это различные вещества и яды (консервные банки и т.д.).

Такие загрязнители накапливаются и биологически усиливаются по пищевым цепям, соединяясь с другими веществами. Эти вещества могут образовывать ещё более токсичные (например, метил-ртуть).

Способы борьбы:

1. Изъятие из экосистемы.

2. Прекратить производство таких веществ.

3. Запретить выброс.

4. Контролировать, чтобы не допустить токсичного уровня.

Нестойкие загрязнения – загрязнения, разрушаемые биологическими процессами и различными физико-химическими превращениями.

Органические загрязнения – сточные воды. Проблема состоит в их объёме.

Загрязнение – это неблагоприятное изменение окружающей среды, которое целиком или частично является результатом человеческой деятельности, прямо или косвенно меняет распределение приходящей энергии, уровень радиации, физико-химические свойства среды, условия существования биологической среды.

Классификация загрязнений с учётом различных факторов:

- физические загрязнения: энергетические поля (электрические, гравитационные), воздействия (электрические, магнитные, электромагнитные), инерционные силы, корпускулярные потоки (радиация), тепловое загрязнение, другие колебания среды (шум и вибрация);

Загрязнение

Атмосфера

Гидросфера

Литосфера (почва)

Газообразные производные углерода, их жидкие углеводороды

+

+

–

Пластмассы

+

+

+

Моющие средства

–

+

–

Пестициды и другие синтезированные органические вещества

–

+

+

Производные серы

+

+

+

Производные азота

+

+

+

Тяжёлые металлы

+

+

+

Фтористые соединения

+

+

+

Твёрдые примеси

+

–

+

Органические вещества, подвергнутые брожению

–

+

+

-химические загрязнения:





















































- биологические загрязнения:

а) микробиологическое отравление;

б) воздействия организмов друг на друга.

- эстетический вред.



Биогеохимический круговорот.

 фотосинтез



Круговорот CO2.

млрд. т.



Поверхностные воды – это озёра, внутренние моря, текущие горы.

Почвенные, подземные воды (800 м) – 0,31%

Ледники – 2,15%

Океаны – 97,2%

В атмосфере – 0,001%



Круговорот фосфора.

Фосфаты потребляются растениями и используются для синтеза органических веществ. При разложении бактериями мёртвой органики фосфаты возвращаются в почву и снова используются растениями, часть уносится в море и используется фитопланктоном даже по пищевым цепям. Часть фосфора может вернуться на сушу.



Круговорот азота.

Наибольшая часть азота сосредоточена в атмосфере, основную массу которой и составляет свободный азот. Однако свободный азот в атмосфере могут использовать немногие, например, бактерии и синезелёные водоросли. Азот превращает также в нитраты и нитриты грозовые разряды. Нитраты и нитриты циркулируют в биосферу.



Круговорот углерода.

Источник углерода используется автотрофными растениями.





Природные ресурсы

1. Извлечение в процессе добычи заготовки



потери

Оставленные в местах локализации и добычи







2. Транспортирование к местам переработки



Дополнительно взятые за счёт совершенствования технологии добычи и заготовки

3. Перерабатываемые продукции



потери

Утраченные при перевозках



Изделия



Сохранённые за счёт совершенствования перевозок



Изделия, вышедшие из пользования



Отходы от переработки





Износ, коррозия

Лом, утиль



Полностью использованные





Возвращение в цикл путём регенерации, рекуперации, утилизации и совершенствования рекуперации





Графическая модель кривых истощения запасов ресурсов



Темпы потребления металлов увеличились:

стали – в 7 раз;

меди – в 11 раз;

алюминия – в 12 раз.





Радиоактивность.

Период полураспада. Природные источники радиоактивных загрязнений. Не существует никаких способов биологического разрушения или другого механизма, позволяющего вывести радиоактивность из среды. Основная опасность – вещества с большим периодом полураспада, они накапливаются в пищевых цепях. α-, β- и γ- излучение. На тонну ядерного горючего 400 литров отходов. Урановое топливо. Регенерация отходов. Захоронение. Транспортировка.





Шум, как загрязнение.

Уменьшение:

1) Уменьшение уровня звуковой мощности

2) Правильная ориентация шума

3) Звукоизоляция

4) Средства виброизоляции

5) Глушители

6) Профилактика

Нормированная характеристика – уровень звукового давления (децибел). Человек воспринимает шум при уровне звукового давления до 100 дб. При 100-120 дб и частоте 2-5 Гц – затруднённое глотание. 125-137 дб – летаргический сон. 140 дб – лопаются барабанные перепонки.

Электромагнитные воздействия.

Источники электромагнитных полей – радиотехнические объекты. Накопление электрических зарядов.

Проблема минимизации потребления энергии и природных ресурсов.



Природные ресурсы.

Исчерпаемые и неисчерпаемые. По характеру использования ресурсов: производственные, здравоохранительные, эстетические, научные. По принадлежности к компонентам природы: земельные, водные, минеральные, энергетические.

Развитие производства базируется на минеральных ресурсах и использовании минерального сырья. Минеральные ресурсы включают: топливно-энергетические, рудные, горно-химическое сырьё, природно-строительные материалы и нерудные ископаемые. Подземные, пресные, минерализованные воды.

Минеральные ресурсы океана.

По хозяйственному значению наиболее значимы топливно-энергетические. Минеральные ресурсы 70% всех использованных ресурсов; полезные ископаемые дают 95% энергии. 75% стоимости добычи горной металлургии приходит на энергетические ресурсы; 20% - руда, 5% - нерудные ископаемые.

Степень доступности природных ресурсов влияет на уровень производительности труда.

Ускорение темпов экономического развития достигается тремя путями:

1) Наращивание массы ресурсов без повышения эффективности

2) Наращивание массы и повышение использования

3) Повышение эффективности без наращивания массы (интенсивный рост)

Уменьшение относительно объёма продукции на 1 использования ресурсов происходит по следующим причинам:

1) Рост отходов производства и сброс их в среду приводит к ухудшению состояния природных объектов как источников ресурсов

2) Нерациональное природопользование приводит к увеличению использования всех видов ресурсов, что ведёт к их истощению и сокращению производства

3) Сокращение потока природных ресурсов и ухудшения их качества влияет на состояние трудовых ресурсов и снижение объёма выпускаемой продукции

4) Ограничение выпуска продукции приводит к истощению ресурсов.



Ресурсы



Производство



Продукция





Материальные



Экология



Природные

Трудовые



















Экономические, политические, социальные факторы, технологии и уровень знаний формируют потребности в производстве, потоках ресурсов и объёме продукции. Экологические факторы в цепи управления носят характер обратной связи Незнание экономических законов приводит к отрицательной обратной связи и уменьшению объёма продукции на единицу ресурсов. Соблюдение экологических принципов использования ресурсов формирует обратную положительную связь. Увеличивает объём продукции по отношению к используемым ресурсам за счёт введения безотходных и малоотходных технологий, сокращения потребности в ресурсах. Социальные и наукоёмкие технологии.

Понятие ресурсного цикла.

Ресурсный цикл представляет собой совокупность превращений и пространственных перемещений определённого вещества на всех этапах использования его человеком. Ресурсный цикл, обусловленный антропогенным круговоротом веществ, в отличии от природного не является замкнутым, на каждом его этапе происходит потеря ресурсов. Замкнутый круговорот веществ обеспечивает неисчерпаемость ресурсов. Уровень жизни населения в зависимости от потребления ресурсов можно охарактеризовать с помощью понятия демографического коэффициента Q.



Рост коэффициента Q возможен при уменьшении потребления.





Тенденции и перспективы использования ресурсов.

Водные ресурсы.

Расходуются на нужды промышленности, сельского хозяйства; хозяйственно-бытовое потребление.

Причины недостатка: ограниченность, бурный рост населения, развитие промышленности и сельского хозяйства, расточительное использование; загрязнение водоносных слоёв; повышение жизненного уровня. Неравномерность распределения воды усугубляется неравномерностью потребления. Каждые 10 лет потребление воды удваивается. 600 л/сутки на человека (с учётом производства).

Структура водопотребления: 35% - промышленность, 33% - теплоэнергетика, 18% - стоки с мелиорированных полей, 14% - хозяйственно-бытовой сток. 

Хозяйственно-бытовой сток и сточные воды предприятий включают 69% условно чистых вод, 18% загрязнённых, 13% очищенных. Суммарный годовой сток рек = 40 тысяч кубометров, 28 тысяч из них уходит в море. Доступны только 7 тысяч кубометров.

Перспективы использования воды связаны:

1) С опреснением и с совершенствованием процесса промышленного потребления и очистки вод. 0,05% воды только опреснённая, так как дорого.

2) С внедрением оборотного и повторно-последовательного водоснабжения на промышленных предприятиях и элементарная экономия воды.

3) Разработка и освоение альтернативных технологий с исключением использования воды.

Примеры: воздушное охлаждение вместо водного; при переработки 1 тонны нефти по старой технологии используется от 18 до 22 кубометров H2O, при новой 0,12 м3 H2O.

4) Использование плотин увеличивает запас воды. Подача на дальние расстояния.

5) Снижение загрязнения, так как потери на загрязнения равны объёму потреблению.





E

(млрд.)

кВт

t

1860

1900

   2000

20

газ

ядерн. энергетика

уголь

нефть

гидроэнергетика

деревоТопливно-энергетические ресурсы.















Меняется структура потребления энергоресурсов. Удельный вес потребления угля с 94% до 27%; нефть с 6% до 49%; газ с 4% до 20%. 

Уголь.

 Запасы наиболее велики (9-11 триллионов T усл. топлива). Разведанные 1,2 триллиона T усл. топлива.

США – 430 миллиарда ТУТ.

ФРГ  – 100 миллиардов ТУТ.

Англия – 100 миллиардов ТУТ.

СНГ–  280 миллиардов тут.

Австрия – 83 миллиарда ТУТ.

Канада – 29 миллиардов ТУТ.

Индия – 22 миллиарда ТУТ.

Нефть.

250-375 миллиардов тонн усл. топлива. ⅔ – на Ближнем и Среднем Востоке.

Газ – 79 миллиардов ТУТ (52 миллиарда ТУТ – Россия).

Газ по калорийности на 10% выше мазута.