Понятие биосферы

2





Содержание:

1. Биосфера – глобальная экосистема Земли……………………………………3

2. Характеристика энергетических ресурсов…………………………………....8

3. Задача .…………………………………………………………………………13

Список использованной литературы ..…………………………………………16


1. Биосфера – глобальная экосистема Земли

Биосфера — это своеобразная оболочка Земли, содержащая всю совокупность живых организмов и ту часть вещества планеты, которая находится в непрерывном обмене с этими организмами.

Биосфера является глобальной экосистемой. Она расчленена на геобиосферу, гидробиосферу и аэробиосферу. Геобиосфера имеет подразделения в соответствии с основными средообразующими факторами: террабиосфера и литобиосфера—в пределах геобиосферы, маринобиосфера (океа-нобиосфера) и аквабиосфера — в составе гидробиосферы. Данные образования называют подсферами. Ведущим средообразующим фактором в их образовании является физическая фаза среды жизни: воздушно-водная в аэробиосфере, водная (пресноводная и солено-водная) в гидробиосфере, твердо-воздушная в террабиосфере и твер-доводная в литобиосфере.

В свою очередь, все они распадаются на слои: аэробиосфера — на тропобиосферу и альтобиосферу; гидробиосфера — на фотосферу, дисфотосферу и афотосферу.

Структурообразующие факторы здесь, помимо физической среды, энергетика (свет и тепло), особые условия формирования и эволюции жизни — эволюционные направления проникновения биоты на сушу, в ее глубины, в пространства над землей, бездны океана, несомненно, различны. Вместе с апобиосферой, парабиосферой и другими под- и надбиосферными слоями они составляют так называемый «слоеный пирог жизни» и геосферы (экосферы) ее существования в пределах границ мегабиосферы.

Перечисленные образования в системном отношении — это крупные функциональные части фактически общеземной или субпланетарной размерности. 

Ученые считают, что в биосфере имеется восемь - девять уровней относительно самостоятельных круговоротов веществ в пределах взаимосвязей семи основных вещественно-энергетических экологических компонентов и восьмого — информационного.

   Глобальные, региональные и местные круговороты веществ незамкнуты и в рамках иерархии экосистем частично «пересекаются». Это вещественно-энергетическое, а отчасти и информационное «сцепление» обеспечивает целостность экологических надсистем вплоть до биосферы в целом.

Биосферу формируют в большей степени не внешние факторы, а внутренние закономерности. Важнейшим свойством биосферы является взаимодействие живого и неживого, нашедшего отражение в законе биогенной миграции атомов В. И. Вернадского.

Закон биогенной миграции атомов дает возможность человечеству сознательно управлять биогеохимическими процессами как в целом на Земле, так и в ее регионах.

Количество живого вещества в биосфере, как известно, не подвержено заметным изменениям. Эта закономерность была сформулирована в виде закона константности количества живого вещества В. И. Вернадского: количество живого вещества биосферы для данного геологического периода есть константа. Практически данный закон является количественным следствием закона внутреннего динамического равновесия для глобальной экосистемы — биосферы. Поскольку живое вещество в соответствии с законом биогенной миграции атомов есть энергетический посредник между Солнцем и Землей, то или его количество должно быть постоянным, или должны меняться его энергетические характеристики. Закон физико-химического единства живого вещества (все живое вещество Земли физико-химически едино) исключает значительные перемены в последнем свойстве. Отсюда для живого вещества планеты неизбежна количественная стабильность. Она характерна в полной мере и для числа видов.

Живое вещество как аккумулятор солнечной энергии должно одновременно реагировать как на внешние (космические) воздействия, так и на внутренние изменения. Снижение или увеличение количества живого вещества в одном месте биосферы должно приводить к процессу с точностью наоборот в другом месте, потому что освободившиеся биогены могут быть ассимилированы остальной частью живого вещества или будет наблюдаться их недостаток. Здесь следует учитывать скорость процесса, в случае антропогенного изменения намного более низкую, чем прямое нарушение природы человеком.

Помимо константности и постоянства количества живого вещества, нашедшего отражение в законе физико-химического единства живого вещества, в живой природе наблюдается постоянное сохранение информационной и соматической структуры, несмотря на то, что она и несколько меняется с ходом эволюции. Данное свойство было отмечено Ю. Голдсмитом (1981) и получило название закона сохранения структуры биосферы — информационной и соматической, или первого закона экодинамики. 

Для сохранения структуры биосферы живое стремится к достижению состояния зрелости или экологического равновесия. Закон стремления к климаксу — второй закон экодинамики Ю. Голдсмита, относится к биосфере и другим уровням экологических систем, хотя и имеется специфика — биосфера более закрытая система, чем ей подразделения. Единство живого вещества биосферы и гомологичность строения ее подсистем приводят к тому, что сложно переплетены эволюционно возникшие на ней живые элементы различного геологического возраста и первоначального географического происхождения. Переплетение различных по пространственно-временному генезису элементов во всех экологических уровнях биосферы отражает правило или принцип гетерогенеза живого вещества. Данное сложение не является хаотичным, а подчинено принципам экологической дополнительности (комплементарности), экологического соответствия (конгруэнтности) и другим закономерностям. В рамках экодинамики Ю. Голдсмита это третий ее закон — принцип экологического порядка, или экологического мутуализма, указывающий на глобальное свойство, обусловленное влиянием целого на его части, обратного воздействия дифференцированных частей на развитие целого и т. п., которое в сумме ведет к сохранению стабильности биосферы в целом.

Взаимопомощь в рамках экологического порядка, или системный мутуализм, утверждается законом упорядоченности заполнения пространства и пространственно-временной определенности: заполнение пространства внутри природной системы из-за взаимодействия между ее подсистемами упорядочено так, что позволяет реализоваться гомеостатическим свойствам системы с минимальными противоречиями между частями внутри ее. Из данного закона следует невозможность длительного существования «ненужных» природе случайностей, включая и чуждые ей, созданные человеком. В число правил мутуалистического системного порядка в биосфере входит и принцип системной дополнительности, который гласит, что подсистемы одной природной системы в своем развитии обеспечивают предпосылку для успешного развития и саморегуляции других подсистем, входящих в ту же систему.

К четвертому закону экодинамики Ю. Голдсмита относят закон самоконтроля и саморегуляции живого: живые системы и системы под управляющим воздействием живого способны к самоконтролю и саморегулированию в процессе их адаптации к изменениям в окружающей среде. В биосфере самоконтроль и саморегуляция происходят в ходе каскадных и цепных процессов общего взаимодействия — в ходе борьбы за существование естественного отбора (в самом широком смысле этого понятия), адаптации систем и подсистем, широкой коэволюции и т.д. При этом все эти процессы ведут к положительным «с точки зрения природы» результатам — сохранению и развитию экосистем биосферы и ее как целого.

Связующим звеном между обобщениями структурного и эволюционного характера служит правило автоматического поддержания глобальной среды обитания: живое вещество в ходе саморегуляции и взаимодействия с абиотическими факторами автодинамически поддерживает среду жизни, пригодную для ее развития. Данный процесс ограничен изменениями, космического и общеземного экосферного масштаба и происходит во всех экосистемах и биосистемах планеты, как каскад саморегуляции, достигающей глобального размаха. Правило автоматического поддержания глобальной среды обитания следует из биогеохимических принципов В. И. Вернадского, правил сохранения видовой среды обитания, относительной внутренней непротиворечивости и служит константой наличия в биосфере консервативных механизмов и одновременно подтверждением правила системно-динамической комплементарности.

О космическом воздействии на биосферу свидетельствует закон преломления космических воздействий: космические факторы, оказывая воздействие на биосферу и особенно ее подразделения, подвергаются изменению со стороны экосферы планеты и потому по силе и времени проявления могут быть ослаблены и сдвинуты или даже полностью утерять свой эффект. Обобщение здесь имеет значение в связи с тем, что зачастую идет поток синхронного воздействия солнечной активности и других космических факторов на экосистемы Земли и населяющие ее организмы.

Следует отметить, что многие процессы на Земле и в ее биосфере хотя и подвержены влиянию космоса и предполагаются циклы солнечной активности с интервалом в 1850, 600,400, 178, 169,88,83,33,22,16, 11,5(11,1), 6,5 и 4,3 года, сама биосфера и её подразделения не обязательно во всех случаях должны реагировать с той же цикличностью. Космические воздействия системы биосферы могут блокировать нацело или частично.




2. Характеристика энергетических ресурсов

Энергетический ресурс – носитель энергии, который при данном уровне техники или в предвиденной перспективе ее развития используется или может быть использован в народном хозяйстве.

Энергия, непосредственно извлекаемая в природе, называется первичной, а носители первичной энергии называются первичными энергоресурсами.

На рис.1. представлена структура первичной энергии.



Твердое топливо

Атомная энергия

Традиционные виды энергии

Первичная энергия

Нетрадиционные виды энергии

Гидроэнергия рек

Органическое топливо

Газообразное топливо

Жидкое топливо

Биомасса

Энергия морских волн

Геотермальная энергия

Энергия ветра

Энергия приливов

Солнечная энергия

Рис. 1. Структура первичной энергии

Возобновляемые ресурсы - это ресурсы, энергия которых непрерывно восстанавливается природой: энергия рек, морей, океанов, солнца, ветра, земных недр и т.д.

Невозобновляемые ресурсы - это ресурсы, накопленные в природе ранее, в отдаленные геологические эпохи, и в новых геологических условиях практически не восполняемые: органические топлива - уголь, нефть, газ, ядерное топливо. Практически неисчерпаемыми являются геотермальные и термоядерные энергоресурсы (они не являются возобновляемыми). 

В геотермальные ресурсы включаются те из них, которые могут находиться в толще земной коры на глубине до 3 км и могут быть использованы как для теплоснабжения, так и для выработки электроэнергии. Установление объемов энергии с использованием геотермальных источников и термоядерного синтеза на перспективу весьма затруднено, и поэтому не делалось попыток определить количественно этот объем.

Первичные энергоресурсы: уголь, нефть, газ, ядерная энергия, гидроэнергия, нетрадиционные нефть и газ, возобновляющиеся ресурсы (солнечная энергия, геотермальная, биомасса).

Все возобновляющиеся энергоресурсы (ВЭР) являются производными от энергии Солнца, но в целях удобства классифицированы по категориям, указанным выше.

Различные виды энергетических ресурсов обладают разной энергоемкостью. Удельной энергоемкостью называется количество энергии, приходящееся на единицу массы физического тела энергоресурса.

Для удобства сопоставления различных видов энергоресурсов и возможности расчетов расход всех видов топлива сравнивается с расходом так называемого условного топлива. За условное топливо принято такое топливо, при сгорании которого выделяется 29,3 106 Дж, или 7000 ккал энергии.

В табл. 1. приведены значения удельной энергоёмкости для ряда энергетических ресурсов в сравнении с условным топливом.

                                                                                                         Таблица 1.

Виды топлива

Условное топливо

Уголь антрацит

Древесное топливо

Нефть

Газ пропан

Водород

Удельная энергоемкость, X 106 Дж/кг

29,3

33,5

10,5

41,9

46,1

120,6

Ккал/кг

7000

8000

2500

10000

11000

28800



Вторичными энергоресурсами называются энергоносители, полученные после промышленного преобразования первичных энергоресурсов. Например, электрическая и тепловая энергия, полученная в результате сжигания органического топлива на тепловых электростанциях.

Конечными энергоресурсами называются энергоресурсы, непосредственно потребляемые после их доставки конечными потребителями. Например, электрическая энергия в приводе станков и роботов на заводах.

Следовательно, необходимая для фотосинтеза энергия накапливается химическим путем. Именно этот поток энергии необычайно важен для нас. Это единственный источник энергии, за счет которого осуществляются физиологические процессы во всех живых организмах.

Вся система энергетических потоков «нетрадиционных видов энергии» состоит из двух частей: динамического потока энергии и статического количества энергии, т.е. ископаемых топлив, геотермической, ядерной и гравитационной энергий.

На поверхность Земли и её окружение направлены три основных потока энергии:

1. Солнечное излучение мощностью 174000 ТВт.

2. Тепловой поток изнутри Земли мощностью 32 ТВт.

3. Энергия морских приливов мощностью 3 ТВт.

30% солнечного излучения отражается в космическое пространство, т.е. не влияет на энергетический баланс Земли. Но остальные 70% этой энергии (около 122000 ТВт) являются решающей долей потока энергии во всей системе.

Из оставшихся 122000 ТВт одна его часть поглощается атмосферой, океаном и сушей и при низких температурах превращается в тепловую энергию. Другая часть вызывает испарение, циркуляцию и выпадение воды в земном круговороте. Третья часть преобразуется в морские и атмосферные течения. Четвертую часть (около 40 ТВт, или 0,03% всего солнечного излучения) поглощают растения, и тем самым она становится источником одной из важнейших животворных реакций на Земле – фотосинтеза.

Тепловой поток изнутри Земли к ее поверхности при нормальных температурах непосредственно превращается в тепло.

Энергия приливов – это ничтожно малая часть суммарной потенциальной и кинетической энергии системы Земля – Луна – Солнце. За счет превращения этой энергии возникают морские приливы и течения. Их механическая энергия в свою очередь в результате трения также превращается в тепло.

Солнечная энергия является весьма перспективным мировым энергоресурсом. Однако в отличие от ископаемых топлив, урана и геотермальной энергии солнечное излучение не может храниться, а представляет энергию в потоке. Поток солнечной энергии, достигающий земной поверхности, в 13 тыс. раз больше суммарной энергии, производимой в мире в настоящее время с помощью органических топлив и урана.

Преимущества солнечного излучения - полное отсутствие неблагоприятных воздействий на окружающую среду; cолнечная энергия имеется повсюду, неисчерпаема, доступна в одной и той же форме на бесконечно долгий период времени.

Трудности применения - суточные, сезонные, климатические изменения интенсивности солнечного излучения требуют создания крупных систем накопления энергии или комбинированного использования солнечной энергии с другими энергетическими ресурсами для обеспечения надежного круглосуточного энергосбережения.

Солнечная энергия обладает низкой плотностью потока (не более 250 Вт/м2), и ее интенсивность различна для разных районов Земли, следовательно, для крупномасштабного ее использования требуется создание систем сбора и концентрации лучистой энергии Солнца.

Во всем мире усиленно работают над практическим применением нетрадиционных возобновляемых источников энергии. Установки, работающие на возобновляемых источниках, оказывают значительно меньшее воздействие на окружающую среду, чем традиционные энергоресурсы.

В настоящее время ВЭР используются незначительно. Если принять мировой объем использования всех возобновляемых источников энергии за 100%, то существующие минимальный и максимальный сценарии на перспективу 2020 г. оценивают долю их различных видов следующим образом: биомассы –45-42%, солнечной энергии – 20-26, ветровой – 16, геотермальной – 7, энергии малых водотоков – 9-5, океанической энергии – 3-4. Доля участия возобновляемых источников в покрытии суммарной мировой потребности в первичных ЭР оценивается, согласно этим прогнозам, в 3-12%.


3. Задача

			       Рассчитать показатель эффективности очистного оборудования для сталеплавительного цеха предприятия, расположенного в городе Орле: масса основных загрязняющих веществ в выбросах до и после очистки приведены в таблице № 1. 

		Таблица № 1 

		Характеристика выбросов предприятия

		Загрязняющие вещества

		Масса в

		выбросах до очистки, m, т/т

		Масса в

		выбросах после очистки, m0, т/т

		Показатель относительной опасности

		вещества, А

		Аэрозоли

		0,030

		0,005

		2,0

		Оксиды серы

		0,004

		0,0002

		2,5

		Оксиды азота

		0,001

		0,0001

		11,8

		Оксиды

		углерода

		

		0,010

		

		0,004

		

		1,0

			      В расчете учесть, что стоимость одной тонны продукции до применения очистки С=12000 руб./т, а после внедрения системы очистки   С0 = 12200 руб./т.; Кинд.= 110; К =12,0·106 (руб.); V=6,0·106 (т/год); t (лет)=5; r (в частях) =0,3.

Решение:

		     Для оценки эффективности очистного оборудования от выбросов в атмосферу и снижения ущерба, являющегося результатом природоохранного мероприятия, для сталеплавительного цеха предприятия, расположенного в городе Орле будем использовать формулу:

			,

		где ∆У – снижение экологического ущерба, руб.; 

		С = С0 – С – разница себестоимости 1 т продукции с учетом затрат на эксплуатационные расходы до очистки (С) и после внедрения системы очистки (С0), руб./т; 

		V – объем выпуска продукции т/год; 

		t – время реализации природоохранного мероприятия, лет; 

		 – фактор дисконтирования; 

		К – капитальные вложения в очистное оборудование, руб.

     Фактор дисконтирования равен:

			, 	

		где  r – коэффициент дисконтирования или учетная ставка банка, в частях.

		     Для нахождения суммы факторов дисконтирования по годам применяют соотношение:

		.

		     Снижение экологического ущерба в результате внедрения систем очистки при постоянном объеме выпуска продукции в течение нескольких лет рассчитывают по формуле:

			,	

		где V – объем выпуска продукции, т/год;

		 mi – фактическая масса  i-го токсичного вещества при выпуске 1 т продукции без очистки выбросов, т/т; 

		 – масса i-го вещества после применения очистных устройств, т/т; 

		Кинд. – коэффициент индексации, учитывающий изменения уровня цен; 

		 – нормативный экологический ущерб, 3,3 руб./т; 

		 – показатель относительной опасности загрязнения воздуха в зависимости от типа территории (для города =0,1N, где N число человек на 1 га, для г. Орла =2); 

		f – коэффициент рассеивания примесей в атмосфере чаще принимается равным 10.

Произведем расчеты:





С = С0 – С=12200-12000=200 руб.







Ответ: Эффективность очистного оборудования сталеплавительного цеха предприятия, расположенного в городе Орле равна 2147,08.


Список использованной литературы

		Дмитровская, Т.А. Эколого-экономические расчеты: учебное пособие/Т.А. Дмитровская, В.С. Громова, О.А. Ткаченко. – Орел : ОрелГТУ, 2004. – 47 с.

		Петкин А.М. Экономия энергоресурсов: резервы и факторы эффективности. - М.,  1982г.

		Протасов В.Ф, Молчанов А.В., Экология, здоровье и природопользование в России. – Москва: Финансы и статистика, 1995, 521 с.

Реймерс Н.Ф. Экология. – М: Россия молодая, 1994, 363 с

		Степановских А.С. Экология: Учебник для вузов. — М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2001. - 703 с.