ГИДРОСФЕРА И ЗАГРЯЗНЕНИЕ ПРИРОДНЫХ ВОД

5.1. Водные ресурсы Земли

Гидросфера (от греч. hydro – вода + sphaira – шар) – водная оболочка Земли, объединяющая все свободные воды, способные передвигаться под влиянием солнечной энергии и гравитационных сил, а также переходить из одного состояния в другое. Круговорот воды гидросферы образует взаимосвязанную, замкнутую систему океан – атмосфера – суша.

Мировой водный баланс и водные ресурсы Земли включают в себя массивы жидкой (солевой и пресной), твердой (пресной) и газообразной (пресной) воды. По приблизительным подсчетам объем Мирового океана равен 1338 млн. км3, т.е. в Мировом океане сосредоточено около 97% массы воды на Земле1. Остальные 3% приходятся на ледники, подземные воды, воды рек, озер и испарения в атмосферу. Из этого количества воды наибольшие запасы аккумулированы в ледниковых массивах Антарктики и Арктики, объем ледников с учетом снежного покрова планеты равен 24,06 млн. км3. Это огромные запасы пресной воды, которые в настоящее время используются крайне мало. Запасы подземных вод составляют примерно 23,4 млн. км3 (из них 10,5млн. км3 – пресные воды), которые также практически мало используются из-за трудностей, связанных с добыванием этих вод. На долю озер приходится 176,4 тыс. км3 (в том числе около 55% воды в проточных озерах, а 45% – в бессточных озерах с разным содержанием солей). В атмосфере в виде пара содержится 12,9 тыс. км3 воды. Общий объем пресной воды на планете равен 35,029 млн. км3 (табл.5.1).

Для того чтобы получить общую картину масштабов гидросферы, отметим, что площадь поверхности нашей планеты, покрытая только океанами и морями, составляет 361,2 млн. км2. На долю ледников приходится 16,3 млн. км2 (11% суши), озер и рек – 2,3 млн. км2 (1,7% суши), а болот и других мелких бессточных водоемов – 3 млн. км2 (табл.5.2).

Таблица 5.1

Запасы воды на Земле

Таблица 5.2

Площадь гидросферы и ее составляющих

на поверхности Земли, млн. км2 (по К. С. Лосеву)

Таким образом, при общей поверхности планеты в 510 млн. км2 площадь, занимаемая гидросферой, составляет более 380 млн. км2 – более 75% поверхности (см.табл.5.2). Всего площадь гидросферы (без снежного покрова) около 383 млн. км2. Причем большая часть Мирового океана находится в южном полушарии, где он занимает 81% площади, в северном полушарии на его долю приходится 61% поверхности.

Вода Мирового океана, как уже отмечалось, представляет собой сложный раствор солей (в среднем 35 г солей на 1 кг воды). Эти соли вместе с другими веществами находятся в воде в виде ионов. Основную массу химических элементов, растворенных в воде морей и океанов, составляют 9 главных ионов. Академик В.И.Вернадский, исходя из предположения о том, что соотношение главных ионов морской воды существует в течение огромного периода времени, близкого к миллиарду лет, предлагал принять это соотношение за константу. В табл.5.3 приводятся главные ионы воды.

Соленость воды меняется в зависимости от глубины и по акватории, например, в Северном Ледовитом океане, она составляет 31%, в Красном море - 42%.

Таблица 5.3

Главные ионы морской воды

Огромна роль Мирового океана в регулировании содержания углекислого газа в атмосферном воздухе. По данным МГГ (1957-1958), концентрация СО2 в отдельных регионах была неравномерна, ее колебания достигали 610-6 (шесть частей на миллион), при этом ежегодное увеличение концентрации углекислого газа в воздухе оценивалось в начале 60-х гг. в 0,7210-6 – это около половины поступления СО2 в атмосферу в результате сгорания ископаемого топлива.

Вторая половина поглощается растительными организмами путем фотосинтеза. Такое поглощение в объеме более 5/6 происходит на поверхности Мирового океана и менее 1/6 - на суше. Проникая (диффундируя) в морскую воду, углекислый газ усваивается микроскопическими водорослями, развивающимися в верхних слоях океана.

Основную массу гидросферы образует Мировой океан. Большая часть акватории Мирового океана – 52,6% – относится к глубинам от 4000 до 6000 м, 38,7% – занимают акватории с глубиной от 200 до 4000 м, и 7,5% – площадь мелководных участков до 200 м (средняя глубина океана – 3800 м, наибольшая – 11022 м).

Поскольку вода – самый мощный поглотитель тепловой энергии Солнца, то, естественно, масштабы, приведенные выше, обусловливают главную роль Мирового океана в регулировании климата на планете. Мировой океан отражает от своей поверхности около 8% солнечной радиации. Благодаря высокой удельной теплоемкости воды на континентах не происходит резкого перепада температур. Гигантский терморегулятор – океан – не позволяет перегреваться континентам летом и переохлаждаться зимой.

Воды океана нагреваются в основном в экваториальном поясе (около полосы от 150ю.ш. до 300с.ш.). В переносе тепла от экватора к полюсам важную роль играют океанические течения, содержащие громадное количество теплоты. Средняя скорость поверхностных течений составляет около 0,1-0,2 м/с, а на отдельных участках доходит до 3 м/с (Гольфстрим).

Средняя температура всей толщи Мирового океана равна 5,70С без учета Арктического бассейна. Это на 22,70С выше средней по массе температуры атмосферы.

По океанам средняя температура толщи вод составляет: в Индийском – 6,70С, в Атлантическом – 5,60С, в Тихом – 4,70С. Самая теплая поверхность воды отмечена в Тихом океане (19,40С), а самая холодная – под слоем льда Северного Ледовитого океана (0,750С).

Температурные контрасты, вызываемые циркуляцией атмосферы, контрасты солености и неравномерного нагрева поверхности воды, гравитационные силы и их "перепады" от притяжения Луны и Солнца и другие факторы вызывают огромное множество перемещений водных масс Мирового океана.

Проблема объяснения современной циркуляции вод Мирового океана в настоящее время не может считаться решенной даже на уровне весьма качественных гипотез. Это было отмечено на первом съезде советских океанологов в 1977 г. Подземные воды образуют гидросистемы в виде пластов, содержащих поры, трещины и другие пустоты, заполняемые водой. Эти пласты располагаются между водоупорными слоями. По вертикальному разрезу земной коры различают три основные зоны, отличающиеся между собой периодами обмена с поверхностными водами, составляющими гидросферы. Зона интенсивного обмена, расположенная до глубины 0,5 км, с периодом полного обмена с поверхностными водами в пределах 1-100 лет. Зона затрудненного водообмена – на глубине 1,5-2 км – с периодом обмена в десятки и сотни тысяч лет. Зона пассивного обмена на глубине более 2 км, с периодом полного возобновления в миллионы лет. Минерализация вод увеличивается от 1% в верхней зоне, до 3,5% в самых глубоких слоях земной коры.

По аналогии с другими составляющими гидросферы подземные воды представляют равновесие системы "вода – газы", содержащей кислород и азот (активная зона обмена), а также газы, находящиеся в почве, и углекислый газ. Глубже можно встретить сероводород, метан и углекислый газ в большом количестве.

Подземные воды, пожалуй, самая неизученная часть гидросферы. Не случайно, что оценка массы этих вод неоднозначна и исходит из определения запасов воды в слоях глубиной от 2 до 5 км. Вместе с тем, практика бурения глубоких скважин (в частности, и самой глубокой в мире на Кольском полуострове в нашей стране, глубина которой достигла 12 км) показывает, что вода в недрах Земли в жидком виде может существовать и глубже 10 км. По мере углубления под действием высокой температуры в недрах земной коры образуется парообразная вода, а затем и пароводяная смесь, переходящая в особое состояние своего рода водяной плазмы.

Следующая по массе составляющая гидросферы – ледниковые и снежные массивы в твердом состоянии. Основная масса льда (около 2,61022 г воды) сосредоточена в современных ледниках, в том числе в Антарктическом ледниковом покрове – 2,41022г, в Гренландском – 0,21022г, остальное – в арктических, горных и других снежно-ледовых покровах. Снежно-ледовые поверхности постоянно занимают на суше и море 102,6 млн. км2 или около 8%, а в зимние периоды северного полушария доходят до 20% площади поверхности Земли. Основная масса льда сосредоточена в полярных и прилегающих (субполярных) областях нашей планеты – в Арктике и Антарктике. Эти огромные области, круглый год скованные морозами, имеют существенное различие, заключающееся в том, что на Северном полюсе под ледяным трехметровым слоем расположена многокилометровая толща воды океана, а в Антарктиде под ледяным панцирем толщиной 3-4 км находится материк (это самый высокий материк планеты, что в сочетании с географическим положением определяет суровость климата, где температура достигает -800С, а скорость ветра до 80 м/с).

Средняя температура воздуха зимой в Центральной Арктике составляет –360С, а в самые теплые месяцы – около 00С. Климат Антарктики значительно суровей условий в Арктике, так как условия в Арктике зимой примерно такие, как в Антарктике летом. На первый взгляд, это парадоксально, так как летом Антарктика получает приблизительно на 7% больше солнечного тепла, чем Арктика (Земля в своем вращении вокруг Солнца в июне находится в афелии, а в декабре в перигелии). Объясняется это явление следующим. У Южного полюса существует материк, самый высокий над уровнем моря из шести континентов Земли (средняя высота Антарктики 2000 м, а следующая по высоте Азия – 900 м), при этом толщина материкового льда в Центральной части, вблизи геометрического центра материка, составляет 3000-4000 м. Высота поверхности ледяного панциря в Центральной Арктике, в акватории Северного Ледовитого океана, составляет всего несколько метров и практически соответствует уровню моря. Благодаря разности высот Антарктика в среднем должна быть холоднее Арктики на 130С (на вершинах ледяных гор и того выше на 25-280С). Кроме того, Северный Ледовитый океан свободно сообщается с Атлантическим океаном на обширном пространстве между северной частью Европы и Гренландией. Мощные потоки теплой воды Атлантики проникают подо льды Северного Ледовитого океана, смягчая климат Арктики. Не менее важно то, что в Северный Ледовитый океан впадают крупнейшие реки Северной Америки и Евразии, неся дополнительное тепло в Арктику. Температура воды в Северном Ледовитом океане зимой подо льдом примерно -10С (при солености 30 %), а на глубине более 100 м – около 10 С.

Важную роль в тепловом режиме планеты и стоке рек играет сезонный снежный покров, который в среднем занимает свыше 40 млн. км2. Среди малых по массе составляющих гидросферы это, прежде всего, воды озер, суммарная масса которых оценивается в 2,81020 г. Площадь всех озер (соленых и пресных) на нашей планете несколько больше 2 млн. км2. К крупнейшим озерам мира относится Каспийское море, площадь которого составляет 371 тыс. км2. Наибольшее скопление крупных озер находится в Северной Америке, где в областях древнего оледенения и тектонических разломов земной коры образовались Великие озера. Самое крупное пресноводное озеро в мире с площадью 82,1 тыс. км2 – озеро Верхнее. Но по объему воды (11,6 тыс. км3) и максимальной глубине (406 м) озеро Верхнее уступает Байкалу (24,0 тыс. км3 и 1741 м) и Танганьике (18,9 тыс. км3 и 1435 м). Далее по величине площади следуют озеро Виктория в Африке – 69,0 тыс. км2 и печально-трагической судьбы Аральское море – 51,0 тыс. км2 . Самое крупное в Европе Ладожское озеро имеет площадь 17,7 тыс. км2 , наибольшую глубину 230 м, затем Онежское озеро – 9,7 тыс. км2. Самые глубокие озера мира – Байкал с глубиной 1741 м. и Танганьика в Африке – 1435 м. По солености озера весьма разнообразны, а по концентрации растворенных веществ они ближе к подземным водам, чем к океану. Самым соленым озером считается озеро Виктория в Африке, вода в котором превосходит океанскую по солености в 11 раз, а озеро Балхаш в Казахстане отличается редким качеством, западная часть озера пресная, а восточная солоноватая.

Воды озер содержат разные газы, вместе с атмосферным кислородом, азотом, углекислым газом имеется сероводород, метан и другие газы.

В нашей стране насчитывается 2,85 млн. озер: с площадью поверхности от 100 до 1000 км2 – 131 озеро, с площадью более 1000 км2 – 27 озер и с площадью от 1 до 100 км2 – около 50 тыс. озер.

Болота – малая составляющая гидросферы, характеризующаяся специфическим подбором растительности, приспособленной к повышенной увлажненности и недостатку кислорода в воде. Общая площадь болот и увлажненных земель - около 3 млн. км2, из которых на территорию нашей страны приходится до 2 млн. км2. Масса воды в болотах приблизительно оценивается равной 11020 г.

Почвенные воды гидросферы обеспечивают влагой растительный покров и внутрипочвенные организмы. По данным ученого-гидролога М.И.Львовича, масса почвенной воды составляет 1,0-0,81013г.

Реки мира в отличие от других составляющих гидросферы весьма разнообразны по своим характеристикам. Такие великаны, как Нил и Амазонка (длиной более 6 тыс. км каждая) вместе взятые, имеют длину, почти равную диаметру нашей планеты, за ними по длине следует Миссисипи с Миссури и Янцзы. Однако по площади бассейна реки Обь с Иртышем уступают лишь двум рекам мира – Амазонке и Миссисипи с Миссури, а по расходу воды в устье за этими двумя гигантами следуют реки Конго – 41 тыс. м3/с, Янцзы – 34 тыс. м3/с (табл.5.4).

Таблица 5.4

Десять крупнейших рек мира (по К.С.Лосеву)

Часть III. ИНЖЕНЕРНАЯ защита

окружающей среды

Глава 7. ПРЕДМЕТ И ЗАДАЧИ ИНЖЕНЕРНОЙ ЭКОЛОГИИ

7.1. Основные термины и определения

Предмет инженерной экологии – инженерное творчество, оно может быть признано полезным, если проекты и конструкции технических устройств предусматривают сохранение экологического равновесия и обеспечивают безопасность жизнедеятельности экологических систем. Однако многие годы технические средства разрабатывались сами по себе, без научного анализа и учета экологических стрессов и деформаций в экосистемах биосферы. И сегодня мы часто можем видеть технику, совершенно неоправданно загрязняющую, если не говорить отравляющую, окружающую природу из-за того, что при разработке этих технических средств не учитывались современные научные знания о взаимосвязи инженерных разработок с лимитирующими факторами природной среды и естественными возможностями саморегуляции экосистем биосферы.

На глазах ныне живущего поколения людей было создано великое множество машин и сложных технических устройств, прекрасных с позиции решения чисто инженерных задач. Между тем, отсутствие экологических подходов к решению технических задач привело к тому, что годами эксплуатирующаяся техника и крупные промышленные комплексы способствовали накоплению в природной среде факторов, угнетающих своими отравлениями жизнедеятельность биосферы. Все чаще стали возникать ситуации, ведущие к аномальным явлениям в природе, а также и к экологическим катастрофам. Особого внимания заслуживают такие на первый взгляд "парадоксы", когда деятельность талантливых инженеров и изобретателей приводила впоследствии к экологическим бедствиям. Причина таких бедствий – отсутствие у разработчиков необходимых экологических знаний и опыта защиты природы.

Один из реальных путей разрешения противоречий между развитием техники и экологией природной среды заключается, очевидно, в том, что сегодня разработчик технических средств должен обладать современным уровнем экологических знаний. В проектировании и конструировании эргономических систем возникла неотложная потребность в специалистах – инженерах-экологах, синтезирующих высокий профессионализм инженера-разработчика технических средств с опытом и знаниями эколога.

Экология как наука опирается на такие отрасли биологии, как биофизика, биохимия, генетика, физиология, а также на другие науки: физику, математику, химию, геологию, метрологию, географию и другие. На методах и понятийном аппарате этих наук основываются экологические исследования.

Взаимоотношения человека и машины в условиях промышленных предприятий, где имеют место ионизирующие, электромагнитные и шумовые излучения, перепады температурных режимов, давления, влажности, скорости движения воздуха и других характеристик среды на рабочем месте весьма многообразны. Наука о взаимодействии человека и машины получила название эргономики и входит в комплексную науку – безопасность жизнедеятельности. Эргономика тесно связана с техническими и математическими науками (кибернетикой, общей теорией системы, исследованием операций и др.) путем применения их методов для математического моделирования, анализа и оптимизации систем "человек - машина". Умение пользоваться экологическими знаниями при создании технических средств любых уровней и отраслей, обязательно для каждого специалиста. Многообразные задачи экологии как науки рассмотрены в главе книги "Краткие сведения об экологии". Но задачи экологии как учебной дисциплины в техническом вузе должны быть непосредственно связаны с тем, чтобы на основе понимания законов природы специалист мог свести к минимуму негативное влияние на природу разрабатываемого им объекта.

В результате тесной взаимосвязи производственных и природных процессов происходит слияние объектов хозяйственной деятельности и окружающей среды обитания человека в единые системы. Развитие этих систем происходит по сложным, во многом еще не изученным законам. Для изучения состояния окружающей среды, причин ее ухудшения и прогнозирования изменений, а также управления процессами оптимального развития таких систем сформировалась новая научная дисциплина – промышленная экология. Эта наука изучает единство материального промышленного производства, человека, живых организмов и среды их обитания. Есть и другие определения, которые мы рассмотрим ниже.

Задачи экологии в деятельности инженера-эколога промышленного производства или проектно-конструкторской организации можно сформулировать следующим образом:

1. Мониторинг, прогнозирование и оценка возможных негативных последствий действующих, вновь строящихся и реконструируемых предприятий для здоровья человека, среды обитания, всех живых организмов и растений.

2. Оптимизация технологических, инженерных и проектно-конструкторских разработок, исходящих из минимального ущерба окружающей среде и здоровью человека.

3. Выявление и корректировка технологических процессов, наносящих ущерб человеку и природе.

В последнее время получили распространение такие понятия, как "инженерная экология", "инженерная защита окружающей среды", "промышленная экология", "техническая экология", которые объединяет общая цель – решение проблем сохранения качества окружающей среды.

^ Инженерная экология – есть научная дисциплина, изучающая объективные закономерности процессов и средств системного взаимодействия человека, технических средств и природной среды с целью создания безопасных для человека и природы систем "человек – техника – среда". Существуют и другие определения, как например, под инженерной экологией понимается система инженерно-технических мероприятий, направленных на сохранение качества среды в условиях растущего промышленного производства.

Таким образом, экологические задачи решаются с помощью инженерных задач, поэтому речь идет не о дифференциации экологии на новые отрасли, а об инженерной защите окружающей среды. Решение экологических проблем с помощью инженерных методов возможно только тогда, когда специалист владеет методологией и достаточными знаниями в экологии, иначе говоря, обладает экологическим мышлением.

Предметом инженерной экологии является система "человек – техника – среда" (ЧТС), ее исследование и оптимизация в стадии проектно-конструкторских разработок сложных эргатических комплексов. Методологическую основу инженерной экологии представляет системный подход, включающий в спектр своих исследований человеческий фактор оператора, управляющего системой (повышение эффективности, качества труда, сохранение здоровья и трудоспособности, развитие личности и удовлетворение творческих потребностей человека), и проектирование технических средств и охрану окружающей природной среды.

Проблемы инженерной экологии составляют весьма широкий круг вопросов, связанных с развитием гуманизированных, экологичных, эргатических систем. К основным проблемам относятся: анализ процессов совместимости человека, технических средств и экологических систем биосферы и других планетарных систем; анализ проектных и конструкторских задач взаимодействия человека-оператора, технического средства и окружающей природной среды, а также оптимизация распределения функций между элементами системы ЧТС; исследование деятельности человека-оператора и систем управления техническим средством; анализ конструкторских характеристик технических средств, включая комплексы управления и оборудования рабочего места оператора; исследование сложных процессов адаптации человека, управляемой техники и природной среды, а также разработка принципов и методов приспособления конструкции к возможностям человека и к функциям, обеспечивающим экологическую чистоту данного устройства на уровне современных достижений науки и техники. Научные данные инженерной экологии внедряются в практику разработки технических средств в стадии начального проектирования, в процессе которого важное место отводится решению задач взаимной адаптации человека, техники и среды. В данном случае нас интересует экологическая сторона адаптации всех элементов системы ЧТС.

Система управления адаптивная – это система, в процессе функционирования которой происходит адаптация, направленная на улучшение качества управления.

Адаптация – процесс, имеющий большое значение в функционировании эргатической системы, определяющий эффективность работы всей системы и, что не менее важно, безопасность жизнедеятельности человека.

Адаптация (от лат. – приспособляю) – одно из уникальнейших свойств живого: приспособление организмов к условиям среды. Способность к адаптации, к саморазвитию, усовершенствованию в широко изменяющихся условиях окружающей среды при постоянном воздействии многообразных возмущающих факторов является существенным отличием всего живого от самых гениальных творений человека. В кибернетике под адаптацией понимают процесс накопления и использования информации в системе, направленный на достижение определенного состояния или поведения системы при начальной неопределенности и изменяющихся внешних условиях. При адаптации могут претерпевать изменения параметры и структура системы, алгоритм функционирования, управляющие воздействия и т.п.

Перед наукой и практикой создания новой техники стоит сложная задача – проникнуть в тайны биологических процессов и использовать выработанные природой в ходе тысячелетий свойства для поиска и разработки принципиально новых технических решений. При разработке технических средств интересы социально-экономического прогресса требуют, чтобы новая техника обладала качеством "вариации структур", т.е. свойством гибкого регулирования конструкции для обеспечения высокой приспособляемости к условиям среды и возможностям организма человека. Не менее важна также приспособляемость конструкции к выполнению регламента предельно допустимых концентраций загрязняющих выбросов в окружающую среду.

В технике все чаще появляются попытки использования принципа эффективного построения системы с определенными ограничениями на надежность. Надежное функционирование системы "человек – техника – среда" немыслимо на основе жестких, неизменных или слабо регулируемых связей между ее элементами. В примерах организмов природа демонстрирует нам эффективные принципы построения систем с высокой приспособляемостью. Некоторые решения, найденные природой, могут быть применены в инженерной экологии путем использования их технических аналогов. Между тем, создание эргатических систем с высокой взаимоприспособляемостью их составных частей требует глубокого изучения механизмов адаптации и разработки теоретических принципов сложных систем с применением новейших математических методов, с использованием имитации живого организма, а при необходимости и экологической ситуации. Таковы некоторые творческие перспективы инженерной экологии.

Развитие инженерной экологии направлено на комплексное решение проблем повышения производительности труда, всестороннего и гармоничного развития личности человека и окружающей природной среды, улучшения условий и гуманизации труда человека, управляющего современной сложной техникой.

Современная самая сложная техника создается для человека, для социально-экономического развития общества. Создание наиболее благоприятных условий жизнедеятельности человека и всего живого на нашей планете сегодня является важнейшей задачей человечества.

Решать эту задачу, вместе с другими науками, помогает и инженерная экология. Изучение этой науки необходимо каждому современному инженеру и организатору производства.