Тема 10. Естественно-научные аспекты экологии.

1.Космическое и внутрипланетарное воздействие на биосферу.

Глобальные катастрофы и эволюция жизни.

С тех пор как Ч.Дарвин и его последователи объяснили происхождение и многообразие органического мира, в представлениях о развитии жизни на планете - эволюции – все казалось логичным и понятным. Но несколько лет назад ученые, изучая микроструктуру органической материи, сделали поразительный вывод: возникновение и развитие жизни на нашей планете, если считать по Дарвину, потребовало бы много больше времени, нежели действительная история, охватывающая период от первых на Земле живых молекул до вершины природы – человека. И тут пришлось вспомнить основоположников палеонтологии – науки о развитии жизни на Земле: Жоржа Кювье (1769-1832) и Жоффруа Сент-Илера (1772-1844).

Кювье обратил внимание на то, что в земных слоях идет чередование: слои, богатые останками доисторических животных, сменяются горизонтами, бедными на эти находки. При этом Кювье обнаружил, что в каждом новом богатом костями слое останки принадлежат животным других разновидностей, а не тем, что найдены в предыдущем и последующем слоях, т.е. не тем, которые обитали на Земле раньше или позже, разумеется, в геологическом понимании времени.

Кювье считал, что ископаемые формы – это либо прямые предки нынешних животных, в сущности от них не отличающиеся, но сумевшие пережить все природные перевороты, либо останки окончательно вымерших в результате этих переворотов форм, ничего общего с ныне живущими не имеющих. Кювье полагал также, что развитие четырех типов животных (по его классификации – позвоночных, членистых, мягкотелых, лучистых) происходило изолированно.

Заметил чередование ископаемых останков и Жоффруа. Но выводы о причинах этого, сделанные Кювье и Жоффруа, расходились настолько, что их многолетний спор привлек к себе внимание ученых всего мира.

Жоффруа считал, что гибель господствовавших в определенные периоды видов животных еще не означала повсеместной гибели жизни вообще. Некоторые виды, занимавшие ранее подчиненное место, выживали. Наделенные свойствами, помогавшими им противостоять силам природы, которые уничтожали большую часть животного мира, они получали простор для своего дальнейшего развития. В отличие от Кювье Жоффруа видел единство организации и развития животного мира.

В одном лишь были едины Кювье и Жоффруа: какие-то грандиозные силы вмешивались в эволюцию жизни, и в результате этого вмешательства появлялись более совершенные формы животных.

Ученые разных наук небывало дружно задались вопросом: почему так стремительно исчезло с лица Земли обширное сообщество динозавров? Было выдвинуто множество гипотез. Вот основные из них. Повышенная активность вулканов: газы и выброшенный пепел пеленой затянули небо и слабили солнечную радиацию – динозавры не вынесли похолодания. Вспышка близкой к Земле звезды – и животные не выдержали облучения.

Некоторые ученые, изучающие эволюцию биосферы, придерживаются такой точки зрения: Земля – дитя Космоса – находится в окружении космических сил, многие из которых время от времени кардинально влияют на развитие земной жизни.

По мнению другой группы ученых, биосфера в целом подвергалась крупным воздействиям и сопровождалась катастрофическими вымираниями. Катастрофы в биосфере зарождались в ней самой, т.е. имели земное происхождение.

К сожалению, все это лишь гипотезы. Прямых доказательств вмешательства в земные дела космических воздействий у нас нет, как и нет убедительных фактов влияния внутрипланетарных сил на ход эволюции.

Биосфера и предотвращение экологической катастрофы.

С позиций самоорганизации в развитии открытых неравновесных систем выделяется плавный (эволюционный) этап, на протяжении которого не происходит серьезных качественных изменений. Но в процессе его протекания возникают и накапливаются противоречия, в конечном счете, приводящие систему в крайне неустойчивое состояние. Долго пребывать в таком состоянии система не может.

Предполагается, что из кризисного состояния самоорганизующаяся система выходит скачком, меняя свою структуру и облик так, чтобы на новом уровне организации достичь устойчивого состояния. Обычно существует несколько возможных для перехода системы устойчивых точек бифуркации, и в условиях крайней неустойчивости развиваются флуктуации. Одна из таких флуктуаций может подтолкнуть систему на конкретный путь перехода в новое состояние. Это будет случайный акт, оцениваемый из вероятностных представлений. Но после того как переход произошел, назад возврата нет, система начинает новый эволюционный этап, определяемый стартовыми условиями совершившегося перехода.

Итак, биосфера и человечество как ее составная часть вступили в кризисный период своего развития. Кризис усугубляется многими неблагоприятными факторам.

За угрозой ядерного, радиационного или токсического уничтожения биосферы вырисовывается другая, не менее страшная угроза, называемаяэкологической катастрофой.В ее основе – стихийная деятельность людей, сопровождающаяся загрязнением среды обитания, нарушением теплового баланса Земли и развитием так называемого парникового эффекта. В ближайшей перспективе назревает истощение жизненно важных для человеческой цивилизации сырьевых источников планеты. К этому добавляются демографический взрыв – очень быстрый рост численности людей с тяжелыми для биосферы последствиями.

Выход из надвигающегося экологического кризиса многие видят в радикальном изменении сознания людей, их нравственности, в отказе от взгляда на природу как объект бездушной эксплуатации ее человеком.

Предотвратить переходный процесс в биосфере человек не в силах, но есть возможность свести к минимуму или совсем убрать те неблагоприятные флуктуации, которые и подталкивают неустойчивую систему к нежелательным для человека вариантам перехода (запрещение и полное уничтожение оружия массового уничтожения, сокращение обычных видов вооружений).

Значительно труднее решить экологическую проблему. Ее возможно решить только совместными усилиями всех стран, всех народов, всех людей. Нет сомнений, что понадобятся такие ограничительные меры, как снижение потребления энергии, организация более экономного ведения промышленного производства, сокращение добычи и расходования важнейших полезных ископаемых. Необходимо изменить отношение к животному и растительному миру планеты, осознать демографические проблемы и сделать многое другое. Успешное решение всей совокупности возникших экологических и иных переходных проблем невозможно без научного предвидения результатов любой природопреобразующей и социальной деятельности людей, а также без создания налаженной системы управления и контроля при проведении в жизнь разрабатываемых мероприятий.

Государственная и национальная разобщенность людей создает существенно неблагоприятную флуктуацию для переходного процесса. Ее подавление представляется очень сложной задачей, и события наших дней подтверждают это.

Природные катастрофы и климат.

Климат меняется на наших глазах. И подтверждают это природные катастрофы, все чаще обрушивающиеся на Землю. По расчетам климатологов, средняя температура плнеты в конце 21 века поднимется на 3 градуса. А выводы, сделанные при исследовании Гренландского ледяного щита, говорят о возможном повторении драматических колебаний в атмосфере – от жаркого климата пустыни до холодов великого оледенения.

По сравнению с 60-ми годами число бурь на планете увеличилось вчетверо, скорости ветра возросли, материальный ущерб (в денежном выражении), приносимый стихиями, по меньшей мере, удесятерился.

Специалисты, на вооружении которых современные приборы и методы исследования, задолго до наших дней обнаружили признаки потепления атмосферы. Сто лет измерений массы глетчеров (ледников) в Альпах показали, что количество льда уменьшилось вдвое. За эти же сто лет уровень Мирового океана поднялся на 20 м. За последние годы темп пополнения океана увеличился, уровень его растет – на 3 см за десятилетие.

Мировой океан, преимущественно в тропических широтах, за последние 50 лет нагрелся в верхних слоях на 0,5 градуса.

Ученые считают, что на 95% потепление Земли вызвано деятельность человека, а не природными прцессами. Основные участники «парникового эффекта» - углекислота и метан – выделяются промышленностью, транспортом и сельским хозяйством. Один только автомобильный транспорт на 0,7 градусов повысил температуру нижних слоев атмосферы.

Парадокс: борьба за чистую, без серы и грязи, атмосферу позволит углекислому газу полностью сыграть свою роль, и тогда станет еще теплее, т.е. оправдаются расчеты компьютера. Но здесь не все зависит от человека. В июне 1991 г. на Филиппинах проснулся вулкан, который выбросил в атмосферу многие миллионы тонн частиц серы. И вот результаты: в следующем году средняя температура атмосферы упала на 0,4 градуса, а в 1993 – на 0,2. Между тем 1990 г. был отмечен исключительно высокой температурой на Земле.

Парниковый эффект и кислотные осадки.

°Еще несколько лет назад шли споры относительно самого факта антропогенного - вызванного человеком изменения климата. За последнее столетие средняя температура поверхности Земли повысилась не менее чем на 0,5–5С. Как и было предсказано моделям, так называемого парникового эффекта, зимняя температура повысилась более значительно, чем летняя. Парниковый эффект возникает потому, что углекислый газ, метан, попадая в атмосферу, действуют как стекло в теплице, затрудняя отдачу тепла с поверхности планеты. Длительными наблюдениями установлено, что количество метана увеличивается ежегодно на 1 %, углекислого газа – на 0,4 %. Углекислый газ "ответственен" примерно за половину парникового эффекта.

Кислотные дожди, содержащие двуокись серы и окись азота, являющиеся следствием функционирования тепловых электростанций и заводов, несут гибель озёрам и лесам. Для нашей страны кислотные осадки стали особой экологической проблемой. Кислые осадки снижают урожай, губят естественную растительность, разрушают здания, уничтожают жизнь в пресных водоемах. Механизм их образования очень прост. Двуокись серы и окислы азота в воздухе соединяются с парами воды. Затем вместе с дождями, туманами они выпадают на землю в виде разбавленных серной и азотной кислот. Такие осадки резко нарушают нормы кислотности почвы, ухудшают водообмен растений, способствуют высыханию лесов, особенно хвойных. Попадая в реки и озера, они угнетают их флору и фауну, нередко приводя к полному уничтожению биологической жизни — от рыб до микроорганизмов. Большой вред кислотные дожди наносят и различным конструкциям (мостам, памятникам и т.д.).

Главные регионы распространения кислотных осадков в мире — США, зарубежная Европа, Россия и страны СНГ. Но в последнее время они отмечены в промышленных районах Японии, Китая, Бразилии.

Расстояние между районами образования и районами выпадения кислотных осадков может достигать даже тысячи километров. Например, главные виновники кислотных осадков в Скандинавии — промышленные районы Великобритании, Бельгии и ФРГ.

Сохранение озонового слоя.

Реальной экологической угрозой становится истощение озонового экрана в стратосфере. Говоря об этом, обычно отмечают знаменитую "озоновую дыру" над Антарктикой. Однако сокращение количества озона в стратосфере происходит и над нашей страной, где оно достигло уже в среднем около 3 %. Доказано, что сокращение озона только на 1 % ведет к увеличению заболеваний раком кожи на 5–7 %. Это означает, что 6-9 тыс. человек на европейской территории нашей страны ежегодно заболевает раком кожи только по этой причине.

Озон поглощает часть ультрафиолетового излучения Солнца: причем широкая полоса его поглощения (длина волны 200–300 нм) включает и губительное для всего живого на Земле излучение.

Причина нежелательного явления – реакции с озоном некоторых веществ, производимых химическими заводами. Это в первую очередь хлорированные углеводороды и особенно фреоны – хлорфторуглероды, или углеводороды, в которых все или большая часть атомов водорода, заменены атомами фтора и хлора.

Хлорфторуглероды широко применяются в современных бытовых и промышленных холодильниках, в аэрозольных баллончиках, как средства химической чистки, а некоторые производные – для тушения пожаров на транспорте. Используются они и как пенообразователи, а также для синтеза полимеров.

Будучи легколетучими и довольно устойчивыми к химическим воздействиям, хлорфторуглероды после использования попадают в атмосферу и могут находиться в ней до 75 лет, достигая высоты озонового слоя. Здесь под действием солнечного света они разлагаются, выделяя атомарный хлор, который и служит главным «нарушителем порядка» в озоновом слое.

Чтобы начать глобальное восстановление нужно уменьшить доступ в атмосферу всех веществ, которые очень быстро уничтожают озон и долго там хранятся.

Также мы - все люди должны это понимать и помочь природе включить процесс восстановления озонового слоя, нужны новые посадки лесов.

Путь решения предлагает российский консорциум «Интерозон»: производить озон непосредственно в атмосфере. Уже в ближайшее время совместно с немецкой фирмой «Даза» планируется поднять на высоту 15 км аэростаты с инфракрасными лазерами, с помощью которых получать озон из двухатомного кислорода.

Принимая во внимание чрезвычайность ситуации, необходимо:

--расширить комплекс теоретических и экспериментальных исследований по

проблеме сохранения озонового слоя;

--провести первую Международную научную конференцию по проблемам сохранения озонового слоя активными способами;

— создать Международный фонд сохранения озонового слоя активными способами;
— провести Международный телемост на тему сохранения озонового слоя с участием ведущих ученых, политических, религиозных и общественных деятелей;
— организовать Международный комитет для выработки стратегии выживания человечества в экстремальных условиях.

Водные ресурсы и проблемы их сохранения.

Ученые различают три вида загрязнения гидросферы: физическое, химическое и биологическое.

Под физическим понимается прежде всего тепловое загрязнение, образующееся в результате сброса подогретых вод, используемых для охлаждения на ТЭС и АЭС. Сброс таких вод приводит к нарушению природного водного режима. Например, реки в местах сброса таких вод не замерзают. В замкнутых водоемах это приводит к уменьшению содержания кислорода, что приводит к гибели рыб и бурному развитию одноклеточных водорослей (“цветению” воды). К физическому загрязнению относят также радиоактивные загрязнения.

Химическое загрязнение гидросферы возникает в результате попадания в нее различных химических веществ и соединений. Примером служит сброс в водоемы тяжелых металлов (свинец, ртуть), удобрений (нитраты, фосфаты) и углеводородов (нефть, органические загрязнения). Главным источником выступает промышленность и транспорт.

Биологическое загрязнение создается микроорганизмами, часто болезнетворными. В водную среду они попадают со стоками химической, целлюлозно-бумажной, пищевой промышленности и животноводческих комплексов. Такие стоки могут явиться источниками различных заболеваний.

Особый вопрос в этой теме загрязнение Мирового океана. Оно происходит тремя путями.

Первый из них — речной сток, вместе с которым в океан попадают миллионы тонн различных металлов, соединений фосфора, органические загрязнения. При этом почти все взвешенные и большинство растворенных веществ осаждаются в устьях рек и прилегающих шельфах.

Второй путь загрязнения связан с атмосферными осадками, с ними в Мировой океан поступает большая часть свинца, половина ртути и пестицидов.

Наконец, третий путь непосредственно связан с хозяйственной деятельностью человека в акваториях Мирового океана. Наиболее распространенный вид загрязнения — нефтяное загрязнение при транспортировке и добыче нефти. Самой уязвимой частью природы стала пресная вода. Сточные воды, пестициды, удобрения, ртуть, мышьяк, свинец и многое другое в огромных количествах попадают в реки и озёра. Сильно загрязнены Дунай, Волга, Рейн, Миссисипи, Великие Американские озёра. По заключению специалистов, в некоторых районах земли 80 % всех болезней вызваны недоброкачественной водой.

Потребление энергии и среда нашего обитания.

Последнее столетие непременно войдет в историю как эпоха стремительного роста городов, количества грузовых и легковых автомобилей, интенсивного строительства новых дорого и расширения автострад, освоения воздушного, а затем и космического пространств, создания творящей чудеса микроэлектронной и компьютерной техники и много другого. Вместе с тем это была эпоха дешевой энергии.

Стало привычным пользоваться благами энергии: нажимая кнопку, мы получаем свет, звук, телевизионное изображение, тепло, холод и кондиционированный воздух, поворачивая кран, мы имеем холодную и горячую воду, не осознавая того, что на это расходуется не так уж мало энергии. Нажимая кнопку, мы имеем и другую сторону медали: затопленные большие площади полезных земель, затопленные села и даже города, громадные горы отходов, кислотные дожди, загрязнение природной среды нефтью и отходами нефтяной и газовой промышленности, аэрозоли в атмосфере, углекислый газ и смог, радиоактивные отходы и т.п.

Описание мрачной картины последствий производства энергии можно было бы продолжить. Но и без того понятно: оберегая энергию, мы сохраняем природную среду нашего обитания. Несомненно, бережное отношение к энергии касается не только семейного бюджета – оно непосредственно связано с дальнейшим развитием цивилизации. Такое отношение должно прививаться каждому еще в раннем возрасте. Им должны руководствоваться не только профессионалы-экологи и энергетики, но буквально все люди вне зависимости от профессии и занятий.

Только при рациональном применении ископаемых энергоносителей (нефти, газа, угля) и разумном сочетании их с нетрадиционными источниками (источниками энергии приливов ветра, солнца, геотермального тепла и др.) можно надолго сохранить хрупкое равновесие в природе – среде нашего обитания.

Сложная проблема производства энергии и сохранения окружающей среды волнует всех людей и в первую очередь специалистов и ученых, которые предлагают разнообразные способы ее решения.

2.Радиоактивное воздействие на биосферу.

В текущем столетии в связи с активной деятельностью человека, связанной с производством ядерного оружия и бурным развитием атомной энергетики, появился новый вид воздействия на биосферу – радиоактивный.

Виды ионизирующих излучений: альфа и бета-частицы, гамма-кванты (фотоны) рентгеновского или гамма-излучения, а также нейтроны, главным источником которых являются ядерные реакторы.

Экспозиционная доза – количественная характеристика поля ионизирующего излучения, основанная на величине ионизации сухого воздуха при атмосферном давлении.Единицей измерения экспозиционной дозы является рентген (Р).

Доза 1Р накапливается за 1ч на расстоянии 1 м от источника радия массой 1 г, т.е. активностью примерно 1 Кюри (Ки).

В качестве меры глубинных доз и радиационного воздействия проникающих излучений было предложено определять энергию, поглощенную облучаемым веществом. Поглощенная доза– количество энергии, поглощенной единицей массы облучаемого вещества. Единицей поглощения дозы является рад.

Поглощенная доза – универсальное понятие, характеризующее результат взаимодействия поля ионизирующего излучения и среды, на которую оно воздействует, т.е. облучения. Между поглощенной дозой и радиационным эффектом существует прямая зависимость: чем больше поглощенная доза, тем больше радиационный эффект.

При одной и той же поглощенной дозе радиобиологический эффект тем выше, чем плотнее ионизация, создаваемая излучением. Для количественной оценки такого влияния вводится понятие эквивалентной дозы,которая равна поглощенной дозе, умноженной на коэффициент качества, определяемый отношением поглощенной дозы эталонного измерения к дозе рассматриваемого излучения, вызывающей тот же радиобиологический эффект.

Единицей измерения эквивалентной дозы является биологический эквивалент рада – бэр.

Воздействие излучений на живые организмы.

Исследования относительной радиационной чувствительности различных участков кожного покрова человека, выполненные в 1898-1899 гг. доктором Денло над собой, позволили установить первые закономерности немедленных (острых) реакций кожи на облучение.

Выявлены серьезные отдаленные последствия облучения. У людей происходит перерождение мелких кровеносных сосудов, зарастание их соединительной тканью, ухудшение кровоснабжения и как следствие – возникновение хронических изъявлений и раковых опухолей.

Наблюдения обнаружили, что даже прекращение работы с излучением не останавливает развития процесса перерождения тканей, который завершается через 6-30 лет образованием злокачественной опухоли и смертью ранее переоблученного человека.

Различают однократное (острое) и хроническое облучение. Восстановительные процессы в живых тканях обладают высокой интенсивностью, благодаря чему организм способен противостоять такому многократному (дробному) облучению, суммарная доза которого при однократном воздействии оказалась бы, безусловно, смертельной.

Наблюдения показали, что злокачественные новообразования, появляющиеся в результате общего переоблучения, возникают спустя много времени после исчезновения всех симптомов лучевой болезни с частотой, зависящей от вида испытуемых животных.

Анализ несчастных случаев позволил установить численное значение смертельной дозы гамма-излучения. Она оказалась равной 600+-100 Р.

Дозиметрические и радиобиологические исследования показали, что ни в одном из известных случаев вредные последствия облучения не проявились при дозах менее 100 Р кратковременного, т.е. «острого», облучения и 1000 Р облучения, растянутого на десятки лет.

При дозах облучения более 25 бэр никаких изменений в органах и тканях организма человека не наблюдается. Незначительные кратковременные изменения состава крови возникают только при дозе облучения 50 бэр.

Во всех случаях воздействия ионизирующих излучений на ткань в основе первичных изменений, возникающих в клетках живого организма, лежит передача энергии в результате процессов ионизации и возбуждения атомов ткани.

При дозах облучения, вызывающих глубокие поражения или даже гибель организма, относительное количество образующихся ионов очень невелико. Таким образом, непосредственная прямая ионизация (без учета вторичных эффектов) не может объяснить повреждающего действия излучения.

В отличие от внешнего облучения под внутренним понимают такой процесс, при котором источники излучения находятся внутри человеческого организма, попадая туда при вдыхании, заглатывании, а также через повреждения кожного покрова.

Это отличие обусловливает ряд особенностей, которые делают внутренне облучение во много раз более опасным, чем внешнее, при одних и тех же количествах радионуклидов.

Патологическое действие облучения на организм в значительной мере зависит от места локализации радиоактивного вещества.

Опираясь на исследования, радиобиологи разработали дозовые пределы, основанные на представлении о недопустимости поглощения в течение всей жизни более 1 мкг радия и произвольном предположении, что предельно допустимым количеством вещества, испускающего альфа-частицы, является 1 мкг. В расчетах предельно допустимых концентраций всех других радионуклидов в потребляемых человеком воздухе и воде используют эту величину.

Из всех путей поступления радионуклидов в организм наиболее опасно вдыхание загрязненного воздуха.

Естественный радиационный фон.

Защита от облучения.

Различают три возможных принципа защиты – временем, расстоянием и экранировкой.

Защита временем – это ограничение продолжительности работы в поле излучения. Действительно, в результате предварительной радиационной разведки уточняется картограмма гамма-поля на всем рабочем пространстве. Зная, что и где нужно сделать, дозиметрист задает исполнителям допустимое время для проведения операции.

Другой принцип защиты от гамма-излучения столь же прост и нагляден: защита расстоянием. Общеизвестно, что излучение точечного или локализованного источника распространяется во все стороны равномерно, т.е. является изотропным. Отсюда следует, что интенсивность излучения уменьшается с увеличением расстояния от источника по закону обратных квадратов.

Третий принцип – защита экранированиемилипоглощением – основан на использовании процессов взаимодействия фотонов с веществом.

Защитные свойства материалов определяются коэффициентом ослабления излучения для узкого пучка гамма-излучения. Обычно указывают главные параметры материалов защиты – слой половинного или десятикратного ослабления. Слой половинного ослабления фотонов с энергией 1 МэВ составляет 1,3 см свинца или 13 см бетона.

Толщина выбранного защитного материала должна соответствовать значению энергии фотонов, определяющих радиационную обстановку. Этот параметр приходится либо измерять непосредственно, либо считать заданным.

Для защиты от проникающего гамма-излучения активной зоны редактора ее окружают многометровым слоем из тяжелых материалов. Толщину защиты (чаще всего из бетона) выбирают такой, чтобы мощность дозы в постоянно обслуживаемых помещениях не превышала предельно допустимого значения. Если это условие соблюдается, персонал может выполнять свои обязанности без ограничения продолжительности рабочего времени и практически всегда без превышения допустимых доз облучения.