Атмосфера Земли
1. Строение атмосферы
Наша планета окружена обширной атмосферой. В соответствии с температурой составом и физическими свойствами атмосферы можно разделить на разные слои. Тропосфера - это область, лежащая между поверхностью Земли и высотой в 11 км. Это довольно толстый и густой слой, содержащий большую часть водяных паров, находящихся в воздухе. В ней имеют место почти все атмосферные явления, которые непосредственно интересуют жителей Земли. В тропосфере находятся облака, атмосферные осадки и т. д. Слой отделяющий тропосферу от следующего атмосферного слоя - стратосферы, называется тропопауза. Это область весьма низких температур.
Состав стратосферы такой же, как и тропосферы, но в ней возникает и концентрируется озон. Ионосфера, то есть ионизированный слой воздуха, образуется как в тропосфере, так и в более низких слоях. Она отражает высоко частотные радиоволны (например, короткие волны).
Основными газами, входящими в состав нижних слоев атмосферы являются азот (примерно 78,08%), кислород (около 20,9%) и аргон (около 0,93%). Других газов в атмосфере Земли очень мало, например углекислого газа около 0,03%. Атмосферное давление на уровне поверхности океана составляет при нормальных условиях приблизительно 0,1 МПа. Полагают, что земная атмосфера сильно изменилась в процессе эволюции: обогатилась кислородом и приобрела современный состав в результате длительного взаимодействия с горными породами и при участии биосферы, т. е. растительных и животных организмов. Доказательством того, что такие изменения действительно произошли, служат, например, залежи каменного угля и мощные пласты отложений карбонатов в осадочных породах, они содержат громадное количество углерода, который раньше входил в состав земной атмосферы в виде углекислого газа и окиси углерода. Ученые считают, что древняя атмосфера произошла из газообразных продуктов вулканических извержений; о ее составе судят по химическому анализу образцов газа, "замурованных" в полостях древних горных пород. В исследованных образцах, возраст которых приблизительно 3,5 млрд. лет содержится приблизительно 60% углекислого газа, а остальные 40% - соединения серы, аммиак, хлористый и фтористый водород. В небольшом количестве найдены азот и инертные газы. Весь кислород был химически связанным. Одной из важнейших задач современной науки о Земле является изучение эволюции атмосферы, поверхности и наружных слоев Земли, а так же внутреннее строение ее недр.
Основным признаком, определяющим подразделение атмосферы на отдельные слои, является изменение ее температуры с высотой. Характер этого изменения во многом зависит от состава атмосферы.
Нижний слой атмосферы Земли (тропосфера) имеет следующий химический состав (по объему, в процентах):
азот - 78.09, кислород - 20.95, аргон - 0.93, углекислый газ - 0.03. На долю остальных газов приходятся уже тысячные и десятитысячные доли процента. Такой состав атмосфера имеет почти до высоты 90 км.
Кроме постоянных компонентов, перечисленных выше, атмосфера содержит переменные компоненты: озон и водяной пар. Эти компоненты оказывают большое влияние на тепловой режим Земли и ее атмосферы.
Рассмотрим схему строения земной атмосферы. Известно, что в ее нижнем слое, именуемом тропосферой (от греческого тропэ - поворот), температура быстро падает с высотой: на 6-7 градусов на километр высоты (зимой несколько меньше). Это происходит потому, что нижние, (приземные) слои атмосферы получают тепло от земной поверхности, излучающей его в диапазоне инфракрасных лучей и передающей тепло также за счет конвекции и теплопроводности. В тропосфере образуются облака, осадки, дуют ветры, образуются самые различные метеорологические явления.
В зависимости от строения атомов и молекул различных газов они способны поглощать в той или иной степени излучение в различных диапазонах длин волн. Так, молекула водяного пара (Н20) интенсивно поглощает инфракрасные лучи во всем диапазоне, за исключением "окна" на длинах волн 8-13 мкм. Напротив, озон, трехатомный кислород, поглощает ультрафиолетовые лучи короче 0,36 мкм. На уровне от 11 до 17 км падение температуры с высотой прекращается и начинается стратосфера - сравнительно спокойная область атмосферы с почти постоянной температурой до высоты 34-36 км и ростом температуры до уровня 50 км. Этот рост происходит за счет поглощения солнечных ультрафиолетовых лучей слоем озона, о котором подробнее будет сказано ниже. Пограничная область между тропосферой и стратосферой называется тропопаузой.
Схема строения земной атмосферы:
1 - тропосферные облака нижнего яруса
2 - перистые облака
3 - перламутровые облака
4 - серебристые облака
5 - метеоры
6 - болид
7 - полярные сияния
8 - метеорологическая ракета
9 - геофизическая ракета
Выше стратосферы, примерно от уровня озонного пика температуры и до 80-85 км простирается мезосфера - область нового падения температуры с высотой. Мезосферу от стратосферы отделяет узкая область стратопаузы, примерно соответствующей высоте озонного максимума.
Еще выше температура вновь начинает расти. Сюда еще доходит ультрафиолетовое излучение Солнца на длинах волн короче 0,2 мкм, а в этой области спектра находятся полосы поглощения Шумана-Рунге молекулы кислорода (длины волн 1925-1760 А; 1 А (ангстрем) = 10-3 мкм). Еще дальше в сторону коротких длин волн расположена сплошная область поглощения, называемая континуумом Шумана-Рунге (длины волн 1760-1350 А). Поглощение лучей этих длин волн молекулярным кислородом приводит к нагреванию нижней термосферы - так принято называть область роста температуры выше 85 км.
Но поглощение солнечных ультрафиолетовых лучей приводит и к другому процессу - к диссоциации молекул кислорода на атомы. Этот процесс начинается от высоты 80 км и заканчивается на высотах 120-130 км. Выше весь кислород оказывается диссоциированным, т. е. состоящим из атомов.
С главным компонентом земной атмосферы - азотом - положение сложнее. Вероятность (или, как принято говорить, эффективное сечение) диссоциации за счет прямого поглощения солнечных лучей у молекулы азота крайне мала. Диссоциация азота возможна лишь в результате более сложных реакций, например, диссоциативной рекомбинации молекулярных ионов азота. Иначе говоря, сперва происходит ионизация молекулы азота, а потом молекулярный ион рекомбинирует с электроном, распадаясь при этом на два атома азота. Есть еще ряд реакций с участием иона молекулы окиси азота NO в результате которых образуется атомарный азот. Но для осуществления первой из этих реакций - фотоионизации молекулы азота - необходимо излучение с длиной волны менее 1270 А. Поэтому диссоциация азота начинается выше, чем диссоциация кислорода, а именно, начиная с 300 км, причем концентрация атомов азота начинает превышать концентрацию молекул только на высоте 400 км.
Что же обусловливает продолжающийся рост температуры с высотой в верхней термосфере (выше 150 км). В основном - опять таки ультрафиолетовое излучение Солнца. В верхних слоях атмосферы происходит ионизация атомов и молекул, образуются слои заряженных частиц, известные под общим названием ионосфера. Но солнечные лучи, ионизуя атомы и молекулы воздуха, сообщают им дополнительную энергию, переходящую в скорости беспорядочных движений, что и проявляется в увеличении температуры до 2000 градусов на высоте около 1000 км. Заряженные частицы путем столкновений передают энергию нейтральным частицам.
Выше 100 км начинается диффузионное разделение газов, поскольку перемешивание на этих высотах уже не играет той роли, как на более низких уровнях. Химический состав атмосферы начинает меняться с высотой. Эта область переменного состава атмосферы называется гетеросферой, тогда как область постоянного состава (ниже 100 км) называется гомосферой.
Если до высоты 180 км главным компонентом атмосферы продолжают оставаться молекулы азота, то в интервале высот 180-600 км их место занимают атомы кислорода. Между 600 и 1500 км главным компонентом является гелий, еще выше - атомарный водород. Нужно, однако, помнить, что границы эти условны и зависят от времени суток, а также от уровня солнечной активности.
Рассмотрим теперь строение атмосферы с несколько иной точки зрения, а именно с точки зрения ее взаимодействия с солнечными лучами. Хотя об этом уже не раз говорилось, мы совершим здесь как бы путешествие вместе с солнечным лучом в направлении сверху вниз. Это позволит привести все сказанное о взаимодействии излучения Солнца с атомами и молекулами атмосферы в стройную систему.
Солнечные лучи вступают на границу земной атмосферы как бы широким фронтом - на всех длинах волн. Сначала происходит ионизация атомов водорода (преобладающих, как мы видели, выше 1500 км), затем атомов гелия и кислорода. Но из-за разреженности атмосферы на больших высотах поглощение солнечного излучения выше 300 км практически незаметно.
Однако ниже 300 км поглощение ультрафиолетовых лучей постепенно растет в результате ионизации сначала атомов кислорода, затем атомов и молекул азота и молекул окиси азота и, наконец, молекул кислорода. Поглощаются в основном лучи с длинами волн от 100 до 1020 А (энергия фотона с длиной волны 1020 А соответствует потенциалу ионизации атома кислорода - это наименьшая энергия, необходимая для отрыва от атома внешнего электрона). Уже на высотах 120-140 км эта часть солнечного спектра поглощается полностью. Зато она обеспечивает ионизацию самого мощного слоя ионосферы - слоя F, который принято подразделять на два подслоя: F (130-180 км) и Fg (180-1000 км). Максимум электронной концентрации (равной на этих высотах концентрации положительных ионов) достигается на высотах 250-300 км.
Ниже 130 км проходят мягкие рентгеновские лучи (30-100 А), которые ионизуют слой Е ионосферы (90-130 км). Жесткое рентгеновское излучение доходит до высот 60 км и образует самый нижний, хотя и обладающий наименьшей электронной концентрацией (103 электронов/см3) слой D ионосферы.
Надо заметить, что мы нарисовали здесь лишь самую общую схему процессов. Ведь, кроме ионизации, непрерывно, "работает" обратный процесс - рекомбинация, приводящий к уничтожению ионов и электронов, к воссоединению их в нейтральные частицы. Изучением процессов, происходящих в верхних слоях атмосферы с атомами, молекулами, ионами и электронами при их взаимодействии друг с другом и с солнечным излучением, занимается наука аэрономия.
Вернемся к солнечному излучению. Потеряв на высоте 100 км полностью свой самый коротковолновый участок (1020 А), оно начинает далее испытывать поглощение лучей на больших длинах волн. Молекулы кислорода поглощают излучение в континууме Шумана-Рунге (1760 - 1220 А), энергия которого расходуется на их диссоциацию. Ниже 80 км эта часть солнечного спектра поглощается полностью. Однако излучение в области полос Шумана-Рунге (1925 - 1760 А) проходит и продолжает диссоциировать молекулы кислорода ниже 80 км. Число столкновений быстро падает с уменьшением плотности атмосферы на больших высотах. Не может озон образовываться и ниже 10 км - там нет атомов кислорода, поскольку излучение в области полос Шумана - Рунге полностью поглощается выше этого уровня.
Но озон сам является мощным поглотителем ультрафиолетовых лучей вплоть до длины волны 3100 A. Энергия этих лучей расходуется на диссоциацию молекул озона, уравновешивая их образование в ходе тройных столкновений. Максимальная концентрация озона достигается на высотах 25-30 км. Этот уровень не совпадает с уровнем озонного максимума температуры 50-55 км. Происходит это потому, что лучи, несущие наибольшую энергию, поглощаются выше и до уровня максимальной концентрации озона не доходят. Те же лучи, которые достигают этого уровня, имеют относительно небольшую энергию и не могут нагреть молекулы озона, а через них - и других газов до достаточно высоких температур. Поэтому, как ни странно, в области максимальной концентрации озона температуры довольно низкие.
Хорошо известно значение озоносферы для защиты всего живого на Земле - растений, животных и людей - от губительного действия солнечных ультрафиолетовых лучей. Любые процессы, связанные с деятельностью человека, которые способны привести хотя бы к частичному разрушению озонного слоя, могут иметь роковые последствия для жизни на Земле.
Образование обычных (тропосферных) облаков происходит, как правило, на высотах от 0,5 до 6 км (слоистые, дождевые, кучевые). На больших высотах плавают высоко-кучевые и высоко-слоистые облака. Однако выше 7,5 км облака почти целиком состоят из ледяных кристаллов: это перистые облака, высота которых может доходить до 15-17 км.
Еще выше, на уровне 25-30 км, наблюдаются так называемые перламутровые облака - явление гораздо более редкое, чем серебристые облака.
На высотах от 120 до 70 км происходит испарение и плавление входящих в атмосферу метеорных тел - наблюдаются метеоры, свечение которых в основном определяется излучением атомов и ионов метеорных паров. На уровнях 80-100 км наблюдается некоторое относительное изобилие метеорных атомов и ионов: здесь они образуются, после чего смешиваются в ходе диффузии с атомами и молекулами воздуха.
При полете метеора за ним формируется ионно-электронный след, отражающий метровые радиоволны. Весь этот комплекс явлений принято называть метеорными явлениями.
Еще выше расположена область полярных сияний. Обычно разные формы полярных сияний располагаются на высотах от 100 до 1000 км, хотя иногда нижние границы дуг полярных сияний спускаются до 80 км. Как показывает спектральный анализ, основной вклад в свечение полярных сияний вносит излучение атомарного кислорода (особенно в зеленой линии 5577 А), атомарного азота, их ионов, молекул азота и кислорода и их ионов, а также водорода, гелия, натрия. Возбуждение свечения всех этих частиц происходит за счет их соударений с быстрыми заряженными частицами, летящими от Солнца (солнечный ветер). Это - протоны, электроны и ионы различных элементов, а также нейтральные атомы. Но основную роль в возбуждении свечения полярных сияний играют протоны и электроны. Поскольку эти частицы - заряженные, их траектории отклоняются магнитным полем Земли в сторону геомагнитных полюсов, поэтому сияния наблюдаются преимущественно в полярных районах.
Кроме полярных сияний, наблюдается еще общее свечение ночного неба, вызванное как возбуждением за счет столкновений, так и флуоресценцией газов атмосферы в результате фотовозбуждения (это свечение наблюдается вскоре после захода Солнца).
Что считать границей атмосферы? Исследования последних лет показали, что ионосфера простирается до высот в тысячи и десятки тысяч километров. Поэтому понятие границы атмосферы весьма условно. Часто принимают высоту этой границы в 2000 км. То, что выше, называют протоносферой - оболочкой, состоящей из ядер атомов водорода - протонов. За пределами атмосферы находятся радиационные пояса Земли. Систему частиц, захваченных магнитным полем нашей планеты и движущихся вдоль его силовых линий, принято называть магнитосферой Земли.
Строение атмосферы
| Название слоя | Высота верхней границы | Характеристика слоя |
| Тропосфера | 8—10 км в полярных, 10— 12 км в умеренных и 16—18 км в тропических широтах; зимой ниже, чем летом | Нижний основной слой атмосферы. Содержит более 80% всей массы атмосферного воздуха и около 90% всего имеющегося в атмосфере водяного пара. В тропосфере сильно развиты турбулентность и конвекция, возникают облака, развиваются циклоны и антициклоны. Температура убывает с ростом высоты, со средним вертикальным градиентом 0,65°/100 м |
| Тропопауза | — | Переходной слой между тропосферой и стратосферой; толщина колеблется от нескольких сотен метров до 1-2 км. Зимой тропопауза ниже, чем летом; кроме того, высота тропопаузы колеблется при прохождении циклонов и антициклонов. Средняя температура над полюсом зимой около -65 °С, летом около -45 °С; над экватором весь год около -70 °С и ниже |
| Стратосфера | 50-55 км | Температура с ростом высоты возрастает до уровня 0 °С. Малая турбулентность, ничтожное содержание водяного пара, повышенное по сравнению с ниже- и вышележащими слоями содержание озона (максимальная концентрация озона на высотах 20-25 км) |
| Стратопауза | — | Пограничный слой атмосферы между стратосферой и мезосферой. В вертикальном распределении температуры имеет место максимум (около 0 °С) |
| Мезосфера | 80—85км | Температура с высотой понижается со средним вертикальным градиентом (0,25-0,3)°/100 м. Основным энергетическим процессом является лучистый теплообмен. Сложные фотохимические процессы с участием свободных радикалов, колебательно возбуждённых молекул и т. д. обусловливают свечение атмосферы |
| Мезопауза | — | Переходной слой между мезосферой и термосферой. В вертикальном распределении температуры имеет место минимум (около -90 °С) |
| Термосфера | Ок. 800 км | Температура растёт до высот 200 — 300 км, где достигает значений порядка 1500 К, после чего остаётся почти постоянной до больших высот. Под действием ультрафиолетовой и рентгеновской солнечной радиации и космического излучения происходит ионизация воздуха — основные области ионосферы лежат внутри термосферы. На высотах свыше 300 км преобладает атомарный кислород |
| Экзосфера (сфера рассеяния) | — | Внешний слой атмосферы, из которого, быстро движущиеся лёгкие атомы водорода могут вылетать (ускользать) в космическое пространство. Температура достигает уровня более 3000 К. На больших расстояниях от Земли (2 - 3 тыс. км и более) нейтральную экзосферу образуют почти исключительно атомы водорода, на более низких высотах заметную долю составляют атомы гелия, а ещё ниже — также и атомы кислорода |
2. Трофические цепи и трофические сети
Живые организмы, входящие в состав биоценоза в экосистеме, неодинаковы с точки зрения специфики ассимиляции ими вещества и энергии. В отличие от растений и бактерий животные не
Поскольку растения строят свой организм без посредников, их называют самопитающимися, или автотрофами. Так как будучи автотрофами, они создают первичное органическое вещество из неорганического, они являются продуцентами. Организмы, которые не могут строить собственное вещество из минеральных компонентов, используют органику, созданную автотрофами, употребляя их в пищу. Их называют гетеротрофами, что означает “питаемый другими”, а также консументами (от лат. “консумо” — потребляю). Однако далеко не все организмы для удовлетворения своих физиологических потребностей ограничиваются потреблением растительной пищи, строя белки своего тела непосредственно из белков растений. Плотоядные животные используют животные белки со специфическим набором аминокислот. Они тоже являются консументами, но, в отличие от растительноядных, — консументами вторичными, или второго порядка. Но и на этом трофическая цепь не всегда заканчивается, так как вторичный консумент может служить источником питания для консумента третьего порядка и т.д. Но в одной трофической цепи не бывает консументов выше пятого порядка вследствие рассеяния энергии.
В процессе питания на всех трофических уровнях появляются “отходы”. Зеленые растения ежегодно частично или полностью сбрасывают листья. Значительная часть организмов по тем или иным причинам постоянно отмирает. В конечном итоге так или иначе созданное органическое вещество должно частично или полностью замениться. Эта замена происходит благодаря особому звену трофической цепи — редуцентами (от лат. “редукцио” — возврат). Эти организмы — преимущественно бактерии, грибы, простейшие, мелкие беспозвоночные — в процессе жизнедеятельности разлагают органические остатки всех трофических уровней продуцентов и консументов до минеральных веществ. Минеральные вещества, а также диоксид углерода, выделяющийся при дыхании редуцентов, вновь возвращаются к продуцентам.
Разные уровни питания в экосистеме называют трофическими уровнями. Первый трофический уровень образуют продуценты, второй — первичные консументы, третий — вторичные консументы и так далее. Многие животные питаются более, чем на одном трофическом уровне, поедая как растения, так и первичных консументов или как первичных консументов, так и вторичных. Таким образом, в экологической системе компоненты биоценоза выполняют различные экологические роли: фитоценоз автотрофен и состоит из продуцентов, в биоценоз входят гетеротрофные консументы пяти уровней и редуценты, в составе микробиоценоза — автотрофные хемосинтетики и гетеротрофные редуценты. Но все они представляют собой звенья трофических цепей.
Разные трофические цепи, в свою очередь, связаны между собой общими звеньями, образуя очень сложную систему, называемую трофической сетью.
Трофическая цепь в биогеоценозе есть одновременно цепь энергетическая, т.е. последовательный упорядоченный поток передачи энергии Солнца от продуцентов ко всем остальным звеньям. Поток энергии через экосистему можно измерить в различных ее точках, установив тем самым, какое количество солнечной энергии содержится в органических веществах, образованных в процессе фотосинтеза; какую часть энергии, заключенной в растительном материале, может использовать растительноядное животное; какую часть этой энергии успевает использовать растительноядное, прежде, чем его съедает плотоядное, и так далее, от одного трофического уровня к другому.
3. Антропогенная деятельность как источник помех
В настоящее время на Земле практически не осталось экологических систем, не подверженных в той или иной мере влиянию человека. Влияние человека на экосистемы в процессе техногенеза весьма интенсивно, поскольку своей деятельностью он создает направленные помехи в механизмах естественной обратной связи. Они отличаются от естественных помех и неявляются инструментом отбора, поскольку в процессе эволюции организмы к ним не приспособились и приспособиться, как правило, не успевают, за исключением видов, дающих десятки поколений в год (например, растительноядные клещи при постоянном воздействии ядохимикатов способны образовывать невосприимчивые к токсическому воздействию расы за счет отбора особей, наследственно устойчивых к данному веществу, иначе говоря — мутантов).
Отклонение от нормы некоторых параметров среды в результате антропогенного воздействия зачастую выходят за пределы, отвечающие нормам реакции организмов на эти параметры. Так, применение гербицидов (веществ, уничтожающих сорняки) вносит помехи в биогеоценоз в целом. Трава, являющаяся и продуцентом, и средообразователем, и источником энергии для последующих трофических звеньев, погибает под воздействием гербицидов. С ее гибелью исчезают экологические ниши насекомых. Все это прямо сказывается на их популяциях: нарушается режим обитания, питания, часть особей погибает, а оставшаяся часть оказывается в условиях, неблагоприятных для размножения, и возможность свободного и случайного обмена генетической информацией (пан-миксия) становится ограниченной. Наконец, и на уровне отдельной особи происходят необратимые изменения: часть насекомых гибнет из-за ядовитости гербицидов, часть оказывается к ним толерантной, а у части отмечаются изменения в хромосомах (мутации), меняющие наследственность. В рассмотренном примере наблюдаются разрывы в каналах обратной связи при передаче информации от особи к популяции, а от нее к биоценозу.
Применение ядохимикатов создает так называемые частичные помехи, которые разрушают лишь отдельные звенья в отдельных трофических и энергетических цепях, не разрушая пищевых сетей в целом. К полной деградации всей экологической системы они обычно не приводят. Выброс в атмосферу ксенобиотиков (чуждых окружающей среде веществ) или превышение естественного уровня некоторых компонентов атмосферы меняет соотношение газов воздуха и создает помехи реакциям фотосинтеза, а в некоторых случаях просто убивает листву. Повышение содержания в почве индустриальных райнов марганца, хрома, никеля, меди, кобальта, свинца снижает первичную продуктивность. Подобные помехи ведут к разрушению экосистемы в целом, так как уничтожается основной трофический уровень — биопродуценты. В этом случае говорят о предельных помехах. Вырубка леса или распашка целинной степи полностью ликвидируют экосистемы и в лучшем случае приводит к возникновению на их месте новых, а в худшем — к эрозии почв.
За разрушением экосистем в конечном итоге может последовать и разрушение биосферы в целом или резкое снижение ее продуктивности. Вырубка лесов, эрозия почв, замещение ландшафтов горными выработками и урбанизация снижают общую биомассу фотосинтетиков и нарушают непрерывность биотического круговорота на значительных террито риях. Помехи могут действовать не только быстро, но и постепенно, прерывая поток информации между отдельными звеньями пищевых цепей.С экологических позиций антропогенное загрязнение окружающей среды представляет собой комплекс помех в экосистемах. Бездействующих на потоки энергии и информации в пищевых (энергетических) цепях. Эти помехи не являются периодическими и часто превышают нормы реакции живых организмов, поэтому в отличие от естественных помех они ведут не к естественному отбору, а к массовой гибели организмов.
Загрязнение среды — сложный многообразный процесс. Отходы производства оказываются обычно там, где их раньше не было. Многие из них химически активны и способны взаимодействовать с молекулами, входящими в состав тканей живого организма.
Непосредственными объектами загрязнения (акцепторами) служат основные компоненты биотопа (местообитание биотического сообщества): атмосфера, гидросфера, литосфера. Косвенными объектами загрязнения (жертвами) являются составляющие биоценоза — растения, животные, микроорганизмы.
Источники загрязнения весьма разнообразны: среди них промышленные предприятия, теплоэнергетический комплекс, транспортные и бытовые отходы, отходы животноводства, а также химические вещества, намеренно вносимые человеком в экосистемы для защиты от вредителей, болезней и сорняков.
Среди ингредиентов загрязнений — тысячи химических веществ, особенно металлы и оксиды, токсины, аэрозоли. Загрязнителем может быть любой физический агент, химическое вещество и биологический вид (микроорганизмы), попадающие в окружающую среду или возникающие в ней в количествах, выходящих за рамки своей обычной концентрации — предельных естественных колебаний или среднего природного фона в рассматриваемое время.
Различают антропогенные загрязнители, разрушаемые биологическими процессами и неразрушаемые ими (стойкие). Первые входят в естественные круговороты веществ и поэтому быстро исчезают или подвергаются разрушению биологическими агентами. Вторые не входят в естественные круговороты и накапливаются в пищевых цепях и в биотопах.
Загрязнение означает не просто внесение в атмосферу, почву и воду тех или иных чуждых им компонентов. В любом случае воздействию подвергается биогеоценоз в целом. Кроме того, избыток или недостаток одних веществ в природной среде или просто присутствие в ней других веществ означает изменение режимов экологических факторов или их составов, отклоняющихся от требований экологической ниши того или иного организма (или звена в пищевой цепи). При этом нарушаются процессы обмена веществ, снижается интенсивность ассимиляции продуцентов, а значит, и продуктивность биоценоза в целом.
Итак, загрязнение окружающей среды есть внесение в экологическую систему (биогеоценоз) не свойственных ей живых или неживых компонентов или структурных изменений, прерывающих круговорот веществ, их ассимиляцию, поток энергии, вследствие чего экосистема разрушается или снижает свою продуктивность.
Отрицательное влияние изменения качества внешней среды на метаболизм живых организмов получило название “экологической ловушки”. Наиболее яркими примерами являются воздействие на физиологические процессы в организме человека метилртути (болезнь “Минамата”), а также влияние некоторых пестицидов.
В свое время создание высокоэффективного ядохимиката для борьбы с вредителями растений — дихлордифенилтрихлорэтана (ДДТ) — было отмечено Нобелевской премией, поскольку его применение сулило реальную возможность сохранять урожайность агроценозов и лесные насаждения. Мировое производство ДДТ в течение почти 30 лет достигало ежегодно 100 тыс.т. Препараты ДДТ создавали помехи в экосистемах для экономически вредных консументов и защищали урожаи. Но и сам препарат, и некоторые его примеси помимо токсичности для теплокровных животных, способны прогрессивно накапливаться в звеньях пищевых цепей. При содержании в воде препарата ДДТ в дозировке 0,0014 частей на миллион его содержание в планктоне составляет уже 5,0 частей на миллион, а в мышцах рыб — 221 часть, т.е. при прохождении его по трофической цепи происходит концентрирование более чем в 10 тыс. раз! Когда этот факт был установлен, практически все страны мира (за исключением Китая и некоторых других развивающихся стран) подписали Конвенцию о запрещении производства и применения ДДТ.
Последствия загрязнения далеко не всегда ощущаются сразу. Скачкообразным проявлениям загрязнения нередко предшествуют скрытые. Важна своевременная косвенная индикация загрязнения в начальные моменты его воздействия.
Загрязнение — это не только выброс в природную среду вредных веществ. При отводе воды от систем охлаждения в естественные водоемы происходит изменение естественного режима температуры, т.е. тепловое загрязнение. В качестве загрязнения можно рассматривать и отклонение от оптимальных параметров уровней шума, освещенности, радиоактивности.
В качестве системы помех следует рассматривать разрушение биогеоценозов при открытой добыче полезных ископаемых, регулировании водотоков, осушении, эрозии почв. Источником помех являются шахтные отвалы и терриконы, в которых идут сложные физико-химические процессы с выделением вредных веществ в атмосферу, воду и почву.Среди загрязнений выделяют механическое, химическое, физическое, биологическое, микробиологическое. Механическое заключается в засорении среды агентами, оказывающими лишь механическое воздействие без физико-химических последствий; химическое — в изменении естественных химических свойств среды, в результате которого повышается среднемноголетнее колебание количества каких-либо веществ для рассматриваемого периода времени, или проникновение в среду веществ, нормально отсутствующих в ней или в концентрациях, превышающих норму.
Загрязнение физическое подразделяют на:
1) тепловое (термальное), возникающее в результате повышения температуры среды главным образом в связи с промышленными выбросами нагретого воздуха, отходящих газов и воды;
2) световое — нарушение естественной освещенности местности в результате воздействия искусственных источников света, приводящее к аномалиям в жизни животных и растений, или снижения уровня естественной освещенности из-за задымленности нижних слоев атмосферы;
3) шумовое, образующееся в результате увеличения интенсивности и повторяемости шумов сверх природного уровня;
4) электромагнитное, появляющееся в результате изменения электромагнитных свойств среды (от линий электропередачи, радио и телевидения, работы некоторых промышленных установок и т.п.), приводящее к глобальным и локальным геофизическим аномалиям и изменениям в биологических структурах;
5) радиоактивное,связанное с превышением естественного уровня содержания в среде радиоактивных веществ.
Биологическое и микробиологическое загрязнение возникает случайно или в результате хозяйственной деятельности человека.
Все эти различные по происхождению и характеру воздействия факторы имеют один объединяющий их признак: они являются помехами в экологических системах и популяциях и ведут к одному и тому же результату — снижению продуктивности популяции, затем экосистемы в целом, а далее — к их распаду.
Рассматривая процесс загрязнения в широком смысле, с позиций теории помех, его можно классифицировать следующим образом:
— ингредиентное загрязнение как совокупность веществ, количественно или качественно чуждых естественным биогеоценозам;
— параметрическое загрязнение, связанное с изменением качественных параметров окружающей среды;
— биоценотическое загрязнение, заключающееся в воздействии на состав и структуру популяций живых организмов;
— стациально-деструкционное загрязнение, представляющее собой изменение ландшафтов и экологических систем в процессе природопользования.
Последствия загрязнения среды кратко можно обозначить следующим образом:
1. Загрязнение среды есть процесс нежелательных потерь вещества, энергии, труда и средств, приложенных человеком к добыче и заготовке сырья и материалов, превращающихся в безвозвратные отходы, рассеиваемые в биосфере.
2. Загрязнение имеет следствием необратимое разрушение как отдельных экологических систем, так и биосферы в целом, включая воздействие на физико-химические параметры среды.
3. Вследствие загрязнения теряются плодородные земли, снижается продуктивность экологических систем и биосферы в целом.
4. Загрязнение прямо или косвенно ведет к ухудшению физического и морального состояния человека как главной производительной силы общества.
5. Защита окружающей среды от загрязнения — одна из ключевых задач в общей проблеме оптимизации природопользования, сохранения качества среды для настоящего и будущих поколений людей.
Воздействие человека на биосферу на всех этапах его взаимодействия с природой служило источником помех. Первоначально оно сводилось к воздействию человека как биологического вида; затем наступил период сверхинтенсивной охоты без изменения экосистем, сменившийся изменением экосистем через естественно идущие процессы — пастьбу, усиление роста трав путем их выжигания и т.п. На следующем этапе изменение экосистем интенсифицировалось путем распашки и широкой вырубки лесов. Наконец, современный период характеризуется глобальным изменением всех экологических компонентов биосферы в целом.Воздействие человека на биосферу сводится к четырем основным формам:
1) изменение структуры земной поверхности (распашка степей, вырубка лесов, мелиорация, создание искусственных озер и морей и другие изменения режима поверхностных вод и т.д.);
2) изменение состава биосферы, круговорота и баланса слагающих ее веществ (изъятие ископаемых, создание отвалов, выброс различных веществ в атмосферу и водные объекты, изменение влагооборота);
3) изменение энергетического, в частности, теплового баланса отдельных районов земного шара и всей планеты;
4) изменения, вносимые в биоту в результате истребления некоторых видов, создание новых пород животных и сортов растений, перемещение их на новые места обитания.
В настоящее время человек эксплуатирует более 55% суши, использует около 13% речных вод, сводит леса в среднем до 18 млн.га в год. В результате застройки, горных работ, опустынивания и засоления теряется от 50 до 70 тыс.км2 земель в год, при этом 15% всей мировой суши уже деградировало из-за вмешательства человека. При строительных и горных работах перемещается более 4 тыс.км3 породы в год, извлекается из недр Земли ежегодно 100 млрд.т руды, сжигается 7 млрд.т условного топлива, выплавляется более 800 млн.т различных металлов, рассеивается на полях свыше 500 млн.т минеральных удобрений и более 4 млн.т ядохимикатов, треть которых смывается поверхностными стоками в водоемы или задерживается в атмосфере. В настоящее время в практике используется до 500 тыс. химических соединений, из них около 40 тыс. обладают вредными для человека свойствами, а 12 тыс. токсичны.
Несовершенство современной технологии не позволяет полностью перерабатывать минеральное сырье. Большая его часть возвращается в природу в виде отходов. Готовая продукция составляет всего лишь 1 - 2% от используемого сырья, а все остальное идет в отходы, что свидетельствует о неразумном подходе к природным ресурсам. Ежегодно в биосферу поступает более 30 млрд.т отходов: бытовых и промышленных-жидких, твердых и газообразных, загрязняющих атмосферу, гидросферу и литосферу.