Загрязнение биосферы
| Вид материала | Документы |
- Второй Планетарный Конгресс по Правам Биосферы. Институт Галактических Исследований, 301.79kb.
- Поздняковой Анны Александровны Симоненко Сергей Валерьевич реферат, 193.96kb.
- «Химическое загрязнение почв» Общая трудоемкость дисциплины составляет, 25.84kb.
- Мутации. Загрязнение биосферы и здоровье человека, 69.24kb.
- План реферата: Вступление Понятие «биосфера». Организация биосферы. Биосфера и человечество, 692.49kb.
- Реды жизни и загрязнение окружающей среды, 57.15kb.
- Рабочая программа по дисциплине Агроэкологии Направления, 267.02kb.
- Реферат состояние биосферы и здоровья человека, 115.66kb.
- Рабочей программы дисциплины Учение о биосфере (наименование) по направлению подготовки, 17.42kb.
- В. Ф. Панин Конспект лекций по учебной дисциплине " Защита биосферы от энергетических, 990.33kb.
ЗАГРЯЗНЕНИЕ БИОСФЕРЫ
«…технический мир – техносфера построена во имя решения проблем безопасности; – обезопасить себя от голода, холода, для комфортности жизни. В итоге этот энергонасыщенный мир сам стал опасным для человека.
Академик В.А. Легасов
1. Загрязнение окружающей среды как следствие глобального экологического кризиса
2. Техносферный материальный баланс,
3. Принципы и технологии экологизации производства для преодоления загрязнения окружающей среды
4. Определение загрязнений
5. Классификация загрязнителей, их характеристика
6.Накопление загрязняющих веществ в пищевых цепях; правило биологического усиления.
Загрязнение окружающей среды как следствие экологического кризиса
Загрязнение окружающей среды человеком – не есть сугубо современное явление, оно началось давно. Начало техногенезу положил первый костер, зажженный нашим предком. Применение огня расширило ареал обитания человека, дополнило собирательство и охоту новыми приемами добывания, приготовления и запасания пищи, при этом зародились будущие термотехнологии.
Человек всегда безудержно истощал природные ресурсы, загрязняя при их использовании окружающую среду. В неолите человек использовал сначала только свою мускульную энергию, потом – лошадиную силу. Начиная с XV века рост населения, развитие ремесел, торговли, строительства, военного дела ускорили освоение новых земель; сведение лесов дали мощный толчок развитию рудного дела, металлургии, созданию машин на механическом приводе. Однако наибольшее ускорение и экологическое значение техногенез приобрел с момента появления тепловых машин и начала использования ресурсов ископаемого топлива.
Техногенез – с экологической точки зрения – это современный этап эволюции, обусловленный деятельностью человека, вносящий в биосферу вещества, энергию и информацию, которые изменяют и нарушают ее равновесное состояние и замкнутость биотического круговорота. Это определение перекликается с понятием техногенеза, применяемым в геохимии (А.Е. Ферсман, 1937; А.И. Перельман, 1970).
Ситуации экологических кризисов неоднократно переживались в истории цивилизации. Периодическое обострение экологических ситуаций является объективной исторической закономерностью и связано с особенностями развития производительных сил общества. Экологические кризисы могли длиться сотни и даже тысячи лет. История знает немало примеров, когда древние цивилизации погибали, пытаясь построить свое могущество на чрезмерной эксплуатации природных ресурсов (районы Северной Африки, Аравийского полуострова, Междуречья, поймы рек Ганга, Янцзы).
Как только оказалось, что созданная человеком машина может развивать мощность многих лошадиных сил, направление дальнейших взаимоотношений человека с природой было однозначно предрешено. Недаром в эпитафии на могиле Джеймса Уатта есть слова: «…увеличил власть человека над Природой». С тех пор эта власть проявляется главным образом, в потреблении природных ресурсов и загрязнении окружающей среды. Эпоха истощительной химической теплоэнергетики еще не закончилась, но уже надвинулась следующая – эпоха ядерной теплоэнергетики на невозобновимых ресурсах, которая грозит еще более опасным загрязнением.
Таким образом, на определенном этапе развития хозяйственной деятельности человека происходит истощение доступных для эксплуатации природных ресурсов – развивается экологический кризис. Он преодолевается с помощью экологической революции и через рост технической перевооруженности общества, расширения границ доступных природных ресурсов.
Современный глобальный экологический кризис имеет свои особенности. Во-первых, на современном историческом отрезке наблюдается стремительный рост населения планеты. Так, если в начале Новой эры численность населения оценивалась примерно в 200 млн человек, то к началу ХХ века она составила 1,6 миллиарда; к 2010 г. – 7 миллиардов человек. Такое резкое увеличение численности населения планеты приводит к многократному увеличению антропогенного пресса на природные системы, которые имеют ограниченную способность утилизировать все возрастающие объемы отходов цивилизации.
Во-вторых, синтезированные химической промышленностью новые, чуждые для биосферы вещества (ксенобиотики) не могут быть утилизированы в биотическом круговороте, т.к. в природе отсутствуют агенты для их переработки, и, образно говоря, растут горы мусора в окружающей среде.
В-третьих, современный экологический кризис связан с истощением ресурса биологических систем приспосабливаться к изменениям окружающей среды. Кризис адаптации проявился в снижении устойчивости экологических систем, в замене их менее продуктивными. В человеческом обществе обострились проблемы здравоохранения; 95% заболеваний связано с загрязнением окружающей среды. Кроме того, наблюдаются новые закономерности в распространении и характере патологии человека.
Но глубинная причина современного экологического кризиса – это духовный кризис цивилизации. Долгое время господствовали представления о человеке как хозяине Земли, а Природа рассматривалась как мастерская, в которой все можно было переделывать по своему усмотрению, невзирая на объективные законы Природы.
В настоящее время значительная часть биосферы преобразована с помощью техники в техносферу, где деятельность человека нарушает правила, принципы и законы природы. Человек сегодня способен изменять силу действия и число лимитирующих факторов, они влияют на диапазон оптимальности значений факторов среды. Иллюстрируют это такие факты, как последствия внесения минеральных удобрений, осушения территорий, кислотных осадков. Хозяйственная деятельность человека практически уничтожила такие экосистемы как прерии, степи.
В других природных экосистемах нарушены свойственные им принципы и механизмы функционирования. Произошло нарушение правила экологических пирамид, так как в человеческих популяциях, занимающих верхние уровни в пирамидах энергии, биомассы, численности, аккумулированы значительные ресурсы в результате присвоения и вложения в системы дополнительной энергии. Эти нарушения вызывают изменения в круговороте воды и биогенных веществ, способствуют накоплению отходов.
Вмешательство в структуру и функционирование компонентов биосферы человеком происходит в земледелии, например, замена боле продуктивных экосистем менее продуктивными, отчуждение почв под строительство, нарушение естественных круговоротов при перемещении больших масс биологической продукции. Это приводит к уменьшению объемов живого вещества (биомассы) биосферы.
Наиболее серьезные проблемы связаны с потреблением биоресурсов, технической энергетикой, промышленным производством. Ежегодное изъятие не менее 10 Гт сухого вещества биомассы в виде сельскохозяйственной продукции, древесины и морепродуктов составляет более 7% продукции фотосинтеза на суше. Но кроме этого человек косвенно переводит в антропогенный канал еще около 30% первичной продукции экосистем суши, в целом снижая продуктивность биосферы. В окружающую среду выделяется более 530 ЭДж техногенной теплоты.
^ Техносферный материальный баланс
Наиболее существенным отличием техногенного массообмена от биотического круговорота является то, что техносферный круговорот существенно разомкнут как в количественном, так и качественном отношении. Он нарушает необходимую высокую степень замкнутости биотического круговорота, которая была выработана в процессе длительной эволюции и является важнейшим условием стационарного состояния биосферы, что означает серьезное нарушение биосферного равновесия.
На поверхности планеты происходит накопление ресурсов и продуктов их переработки в огромных масштабах. Деструктивные процессы происходят в тысячи раз быстрее по сравнению с естественным ходом биосферных процессов. Примеры свидетельствуют о нарушении человеком принципа Ле Шателье–Брауна, следствием этого является несоответствие темпов изменения среды и адаптационных возможностей организмов, нарушение в соотношении численности отдельных видов, снижении устойчивости и продуктивности экосистем, невозможности самовосстановления биосферы в целом и угроза для существования человека как вида.
Таким образом, высокий уровень техногенных нагрузок на биосферу породил проблему экологической опасности индустриального общества из-за загрязнения окружающей среды. Наиболее характерные черты техногенеза в ХХ веке можно представить следующим образом.
1. За 100 лет мировое потребление энергии увеличилось почти в 14 раз; суммарное потребление первичных энергоресурсов превысило 400 млрд т условного топлива. Темп роста мировой энергетики рос вдвое быстрей, чем численность населения.
2. В структуре топливного баланса произошел переход от преобладания дров и угля к углеводородному топливу – нефти и газу (до 65%), к заметному вкладу ядерной и гидроэнергетики; хозяйственное значение начали приобретать альтернативные энергетические технологии. Среднее душевое потребление электроэнергии достигло 2400 кВт ч /год, что оказало большое влияние на структурные сдвиги в производстве и быте сотен миллионов людей.
3. Многократно увеличились добыча и переработка минеральных ресурсов. Производство черных металлов возросло в 8 раз; еще интенсивнее был рост производства цветных металлов, в основном за счет быстрого наращивания выплавки алюминия; производство цемента за 90 лет выросло почти от нуля до 1 млрд т/год. С 40-х годов началась промышленная добыча урана.
4. Важной чертой современного техногенеза является интенсивная химизация всех отраслей хозяйства. Для различных целей в обиход было введено более 400 тысяч различных синтетических соединений; за последние 50 лет было произведено и применено более 6 млрд т минеральных удобрений. За 40 лет в десятки раз возросло производство пластмасс, синтетических волокон, детергентов, пестицидов, лекарственных препаратов.
5. В ХХ веке значительно вырос объем производства и изменилась структура машиностроения; произошло развитие электротехники и автоматизации; увеличилась единичная мощность машин и агрегатов. Получили быстрое развитие такие отрасли, как производство средств связи, приборостроение, радиотехника, электроника, вычислительная техника.
6. Научно-техническая революция в вооружении устранила географические и природные ограничения в применении военной техники. Космос и воздушное пространство, вода и подводное пространство, поверхность планеты от полюсов холода до экваториальной жары стали доступны для ведения боевых действий.
Создали непосредственную угрозу выживаемости человечества принципиально новые виды оружия массового поражения (ОМП). Его дальнейшая разработка привела к созданию оружия на качественно иных физических принципах (кинетическое, лазерное, вакуумное, биосферное, метеорологическое) и других видов ОМП. В настоящее время ведется создание боевых космических систем направленной энергии; разработка методов очагового разрушения озонового слоя
^ Таким образом, смена этапов техногенеза, основных типов технологий происходит намного быстрее, чем сменяются параметры биотического круговорота в эволюции биосферы. Огромный технический потенциал человечества сам по себе обладает внутренней неустойчивостью. Из-за высокой концентрации источников риска (виды вооружений, отравляющие вещества, ядерное топливо) они угрожают не только биосфере, но и включают потенциал самоуничтожения.
^ К сожалению, эта угроза многими не осознается, т.к. в сознании людей она маскируется положительными результатами социального прогресса во второй половине столетия, когда выросли доходы населения, эффективнее стали здравоохранение, образование, улучшилось питание, увеличилась продолжительность жизни.
Техногенез приобрел глобальный характер и качественно новую форму, способствуя быстрому расширению и распространению техносферы –совокупного результата хозяйственной деятельности. Техносфера – это глобальная совокупность орудий, объектов, материальных процессов и продуктов общественного производства.
В ХХ веке человек раздвинул границы техносферы далеко за пределы биосферы – в космос, вглубь земной коры, на дно Мирового океана, в субмолекулярный микромир, создав особую материально энергетическую оболочку планеты. Мировое хозяйство стало глобальной технико-экономической и эколого-географической системой. В настоящее время общая масса техносферы составляет от 10 до 20 тысяч Гт; это больше биомассы живого вещества биосферы. Основную ее часть образуют скопления горной массы, отработанных руд, перемещенных грунтов, производственных отходов, оставленные сооружения, развалины, т.е. накопившееся за всю историю человечества техногенное вещество.
Наиболее активная часть техносферы, т.е. вся совокупность орудий производства, машин, механизмов, агрегатов, реакторов, коммуникаций имеет массу порядка 10 – 15 Гт и обновляется за средний срок порядка 10 лет. Из 125 Гт ископаемых материалов и биомассы, мобилизуемых за год мировой экономикой, только 9,4 Гт (7,5%) преобразуется в материальную продукцию в процессе производства. Более 80% этого количества вновь возвращается в основные фонды производства. Только 1,6 Гт составляет личное потребление, 2/3 этой массы относится к нетто-потреблению продуктов питания.
Масштабы загрязнения планеты стали впервые зримо ощущаться со второй половины ХХ века. В 1967 г. в антарктических водах в организме пингвинов был обнаружен препарат ДДТ. Источником его появления был пестицид, смытый с полей Африки, Америки, СССР и, благодаря круговороту воды в природе, поступивший в воды Южного континента.
Основной целью созданного в 1968 г. экономистами и социологами мира «Римского клуба» стало привлечение внимания мировой общественности к необходимости совместного решения глобальных проблем, вставших перед человечеством. Выводы доклада «Пределы роста» на первом заседании Римского клуба убедительно доказали, что успехи мировой экономики, достигнутые за последние два столетия, иллюзорны. Экономический прогресс и достижение благополучия практически любой ценой приводят к деградации биосферы.
Глобальное загрязнение окружающей среды, истощение природных ресурсов, усугубление ситуации демографического взрыва при усилении диспропорций в уровне благосостояния развитых и развивающихся стран привели к мировому системному кризису. При сохранении существующих тенденций он может привести к глобальной экологической катастрофе.
Факты трансграничного переноса пестицидов, других загрязняющих веществ, кислотных осадков и экологических последствий этого, представленные на первой Международной конференции по окружающей среде и развитию в 1972 г. в Стокгольме под эгидой ООН привлекли внимание мировой общественности к нарастающей экологической опасности и подняли проблему на государственный уровень.
Концепция устойчивого развития и глобальная программа «Повестка дня на ХХ1 век» констатировала цели: «создание условий, обеспечивающих удовлетворение потребностей сегодняшнего дня, не подвергая риску способность окружающей среды поддерживать жизнь в будущем, не ставя под угрозу возможности будущих поколений».
В конце ХХ века объем выбросов загрязняющих веществ стал соизмерим с масштабами природных процессов миграции и аккумуляции различных соединений. В результате глобальное загрязнение окружающей среды – гидросферы, атмосферы, почвы породило проблемы изменения климата, кислотных дождей, истощения озонового слоя, опустынивания, деградации почв и нехватки продовольствия, пандемии, радиации, утрате навсегда тысяч видов растений и животных, массового размножения патогенных вредителей, гибели природных систем в зоне военных действий.
В компьютерных глобальных прогнозных математических моделях 70–80-х гг. прошлого столетия гидролитосфера рассматривалась исключительно как источник минерального сырья, энергетических ресурсов и пресных вод. Но, логически рассуждая, в процессе использования ресурсов одновременно сюда же происходит поступление продуктов их переработки (в том числе – продуктов сгорания) в окружающую среду.
Только в середине ХХ века человечество стало осознавать, что «…идея покорения природы несет в себе элементы собственного разложения (П. Флоренский). «Человек со своей культурой целиком стал колесом огромного механизма, рассчитанного на войну с самим собой и с природой, как на высшую и окончательную цель» констатировал Ф.Шипунов в анонсе фильма «Плотина».
Прекрасно иллюстрирует эту ситуацию отрывок из рассказа В.Шукшина «Механизатор»: «… Чичас че? Техника везде. Счас и дрова поперечной пилой – никто, только дурак шоркает. И зверя с техникой брать легче. Вот у нас парень есть, шофер и тракторист, механизатор вобщем. Так он тут машиной зайцев давить наловчился. Ночью.
Или вот мода на барсука пошла, бабы и мужики шапки носят барсучьи. На барахолке шкуры с руками рвут. А мех-то, видали, красота, волной ходит. А где его взять, барсука? Он под землей в норе прячется. Вот и берешь мотоцикл, шланги к ему на выхлоп. Ну, подъедешь к норе, шланги – туда, мотоцикл стоит тыр-пыр, тыр-пыр. Барсук, он хоть и в спячке, не может угару вынести. Самку я недавно здоровую добыл. А в ней барсучишко, с варежку всего…»
В этом воистину страшном эпизоде отразилось все несоответствие между огромными возможностями, которые получает человек, вооруженный техникой, и неразвитой нравственностью этого человека. Прогресс знания, практики и творчества без нравственного прогресса – есть зло! Необходимо сменить доминирующие тенденции мирового развития и наше отношение к природе.
^ Принципы и технологии экологизации производства
Неблагополучная экологическая ситуация в 60-х годах прошлого века и ужесточение (в основном через экономику и законодательство) экологических требований привели к изменениям в промышленном производстве, энергетике, транспорте в направлении усиления природоохранных и средозащитных функций.
Беспечное и беспорядочное отношение к отходам производства, не подлежащим утилизации или вторичной переработке, сменилось организованным их складированием и захоронением, созданием специализированных полигонов и хранилищ.
Ранее эта деятельность носила стихийный характер и была связана со стремлением скрыть опасные загрязнения. Печальным примером служит дампинг – «утопление» в морях вредных химических, радиоактивных отходов. По существу концентрирование и перемещение вредных веществ в пространстве или, наоборот, их разбавление в больших объемах транспортирующих сред – воздуха или воды – до сих пор остаются главным способом «охраны окружающей среды», но с точки зрения эколога представляют собой «заметание сора под лавку». В последние десятилетия эта тактика дополнилась циничной «экологической геополитикой», при которой опасные агенты экспортируются в страны третьего мира – в виде строительства на их территории предприятий, работающих по экологически опасным высокоотходным технологиям.
Прогрессивное направление – очистка выбросов и стоков от загрязнителей – постепенно переходит к улавливанию отходов в виде вторичного сырья, полезных материалов. Циклы реутилизации вторичного сырья включают производство различных изделий, сжигание органических отходов с получением полезной энергии, переработку мусора в компост, получение биогаза, обеспечение биотехнологий.
Переориентация различных производств на малоотходные циклы основана на создании совершенного очистного и средозащитного оборудования, «экологизированной» техники, мусороперерабатывающих агрегатов и предприятий. В развитых странах эта «экологическая промышленность» оказывается в ряду лидирующих производств, намного расширяет сферу занятости и приносит немалую прибыль. Происходит экологическая конверсия производства; экологические требования при этом не противоречат экономическим интересам, когда капитал приобретается не за счет ухудшения состояния среды, а благодаря решению экологических проблем, это демонстрируют лозунги: «Экономично то, что экологично, и экологично то, что экономично», «Лучше не произвести, чем не продать».
^ Экологизация промышленного производства направлена на одновременное повышение эффективности и снижение ресурсоемкости. Существуют принципиальные направления снижения ресурсоемкости:
– изменение отраслевой структуры производства с уменьшением относительного и абсолютного количества ресурсоемких высокоотходных производств и исключением выпуска антиэкологичной продукции;
– кооперирование разных производств с целью максимального использования отходов в качестве вторичных ресурсов; создание производственных объединений с высокой замкнутостью материальных потоков, продукции и отходов;
– смена производственных технологий и применение новых, более совершенных ресурсосберегающих и малоотходных технологий;
– создание и выпуск новых видов продукции с длительным сроком жизни, пригодных для возвращения в производственный цикл после физического и морального износа; сокращение выпуска расходных материалов;
– система СКОВИО – сокращение количества отходов в источнике поступления;
– совершенствование очистки производственных эмиссий и транспортирующих сред от техногенных примесей, с одновременной детоксикацией и иммобилизацией конечных отходов; разработка и внедрение эффективных систем улавливания и утилизации отходов.
Таким образом, для снижения ресурсоемкости производства в целом необходимо объединение всех этих способов. Кроме этого необходимо техническое перевооружение, внедрение малоотходных технологий, экономического и технического контроля экологизации.
^ Экологизация энергетики наряду с требованиями, относящимися к промышленному производству, предполагает осуществление мер, которые направлены:
– постепенное сокращение способов получения энергии на основе химических источников, т.е. с помощью экзотермических химических реакций, в том числе окислительных и электрохимических, и в первую очередь – сжигания любого топлива;
– максимальную замену химических источников природными возобновимыми источниками энергии, среди которых ведущая роль должна принадлежать солнечной энергии.
Единственным действительно экологичным химическим топливом может стать только водород, полученный путем гелиоэнергетического фотолиза воды. В ядерной, в том числе и термоядерной энергетике даже при абсолютном устранении всех форм радиационного загрязнения (что весьма проблематично) остается неустранимое тепловое загрязнение экосферы.
Экологизация энергетики содержит множество резервов и принципиальных технических решений – от общего сокращения объема производства энергии на основе всех форм экономии энергии до изменения структуры использования топлив и технологии преобразования энергии. Энергетикам становится ясно, что главным мотивом вынужденной экологизации становится не столько близость исчерпания топливных ресурсов, сколько требования глобальной экологии.
^ Экологизация транспорта необходима потому, что ресурсоемкость транспорта в скором времени может превзойти ресурсоемкость стационарной энергетики и промышленного производства; и предполагает:
– включение экологических требований в организацию транспортных потоков с целью уменьшения транспортного загрязнения за счет сокращения холостых пробегов и рационализации маршрутов;
Подавление тенденции индивидуализации транспортных средств и содействие развитию комфортного и экономичного общественного транспорта с целью уменьшения общего числа транспортных единиц;
– создание новых транспортных средств и замена одних средств транспорта другим, более экологичным;
– разработка и применение более безопасных топлив или других энергоисточников; замена вредных топливных присадок каталитическими средствами оптимизации сжигания; дожигание и очистка выхлопов двигателей внутреннего сгорания;
– пассивная и активная защита от шума.
^ Экологизация сельского хозяйства стала необходимой, поскольку в ХХ веке оно превратилось в агропромышленное производство со всеми последствиями механизации и химизации. Индустриализация агрокомплексов, широкое применение минеральных удобрений и пестицидов повысило удельную продуктивность агроценозов, но снизило их экологичность и экологические качества сельскохозяйственной продукции. Для преодоления этой тенденции необходимо:
– ограничение использования солевых форм минеральных удобрений, замена их специально трансформированными органическими удобрениями и коллоидированными органо-минеральными смесями. Эту технологию иногда называют «биологическое» или «органическое» земледелие;
– минимизацию применения пестицидов и максимальную замену их биологическими средствами борьбы с вредителями;
– исключение гормональных стимуляторов и химических добавок при кормлении животных;
– предельную осторожность в использовании трансгенных форм сельскохозяйственных растений и других продуктов генной инженерии;
– применение наиболее щадящих методов обработки земли.
Любой производственный процесс представляет собой некоторую систему, органически связанную с внешней средой. Производственная система пополучает из окружающей среды исходное сырье, материалы, энергию, а отдает готовую продукцию (намеренную продукцию) и всевозможные отходы (ненамеренную продукцию).
Функционирование системы осуществляется благодаря потоку энергии (электрической, солнечной), либо генерируемой внутри системы за счет физико-химических процессов. К отходам относятся все вещества и материалы, тепловые выбросы, физические и биологические агенты, которые попадают во внешнюю среду и в дальнейшем уже не участвуют в получении продукции или энергии.
Согласно представлениям термодинамики, технологические процессы в принципе подразделяются на три категории: незамкнутые (открытые), замкнутые и изолированные. Абсолютное большинство реальных технологических процессов относятся к категории незамкнутых. Замкнутыми считаются такие системы, у которых отсутствует обмен с внешней средой веществом, но возможен обмен энергией. Технологическим аналогом замкнутой системы служит такой процесс, в котором полностью отсутствуют отходы химических веществ – твердые, жидкие и газообразные выбросы.
Теоретически возможны и изолированные процессы, которые не дают ни материальных, ни энергетических отходов. В общем случае все технологические процессы можно рассматривать с точки зрения их экологического соответствия. Относительно экологичными можно считать такие технологические процессы и производства, воздействия которых на окружающую среду не нарушает нормального функционирования природных экосистем.
Неэкологичные технологические процессы создают повышенную техногенную нагрузку и оказывают негативное воздействие на состояние окружающей природной среды. Так, замкнутый технологический процесс, не имеющий отвода химических веществ в окружающую среду, нельзя считать экологичным, если он сопровождается вредными физическими воздействиями: тепловыми выбросами, шумами, электромагнитными полями.