Учебно-методический комплекс дисциплины «экология и устойчивое развитие» для всех специальностей учебно-методические материалы

Экологические проблемы стали возникать с первых дней существования человечества. Но только в последние два столетия, особенно начиная с 50-х годов 20 столетия, экологические проблемы стали угрожать существованию биосферы. Экологические проблемы обусловлены, прежде всего, загрязнением окружающей среды, воздушного бассейна и Мирового океана, истощением природных ресурсов. Экологическая проблема, включающая вопросы охраны окружающей среды и рационального природопользования, является глобальной проблемой, затрагивающей интересы всего шестимиллиардного населения нашей планеты, интересы всех без исключения государств, интересы каждого человека. Поэтому любые экономические и политические решения, которые нарушают научно-обоснованные медицинские, экологические или иные требования к окружающей среде, являются в принципе неприемлемыми. . В «Концепции экологической безопасности Республики Казахстан» отмечается, что в стране сложилась неблагоприятная, а в ряде регионов кризисная экологическая обстановка, требующая введе­ния системы ограничений и норм природопользования, которые служили бы основой экологической безопасности. Опасным проявлением экологического кризиса является фактор загрязнения атмосферы.

Атмосферный воздух является жизненно важным компонентом окружающей природной среды и неотъемлемой частью среды обитания человека, растений и животных.Проблема загрязнения воздушного бассейна является одной из самых волнующих проблем со­временности: открытый характер атмосферы, ее тесное взаимодействие с литосферой, гидросферой и космосом способствуют распространению антропогенных загрязнений в глобальном масштабе. Вопросы загрязнения воздушного бассейна перешагнули границы отдельных государств, став общими практически для всех стран мира.

С присоединением Казахстана к «Конвенции о трансграничном загрязнении воздуха на большие расстояния» республика получила возможность участвовать в планировании мероприятий по со­кращению выбросов вредных веществ, решать проблемы охраны воздушного бассейна на международном уровне и вести обмен текущей информацией по ряду научно-технических вопросов. В рамках протоколов этой Конвенции чрезвычайно важно иметь представление об оценке уровня загрязнения атмо­сферного воздуха в республике оксидами серы, азота, углерода и о мероприятиях способствующих снижению загрязнения.

На территории Республики Казахстан загрязнителями воздуха являются более 3,5 тыс. промышленных предприятий, расположенных в 80 городах, характеризуемых 1-5 классами санитарной вредности.

Наблюдения за загрязнением воздушного бассейна населенных пунктов систематически выполняются в 20-ти наиболее крупных городах и промышленных центрах Республики Казахстан. Анализ данных подтверждает достаточно высокий уровень загрязнения атмосферного воздуха в республике. Основными причинами негативного влияния на экологическое состояние воздуха являются:

• 
  города и промышленные центры (стационарные источники загрязнения);
  
• 
  автотранспорт (мобильные источники загрязнения);
  
• 
  ракетные и испытательные полигоны;
  
• 
  лесные и степные пожары;
  
• 
  сжигание газа- и нефтепродуктов в факелах в местах добычи.
  

В среднем по республике в расчете на одного жителя в год в атмосферу промышленными стационарными источниками выбрасывается 201 кг различных химических соединений (в Карагандинской области – 1101 кг, в Павлодарской - 747 кг, соответственно).

Промышленные выбросы можно классифицировать:

По организации отвода и контроля.

Организованный (выброс через специально созданные газоходы, воздуховоды и шахты).

Неорганизованный.

По температуре.

Нагретые выбросы (когда температура выбросов больше температуры окружающей среды).

Холодные выбросы (когда температура выбросов равна температуре окружающей среды).

По признаку очистки.

Выбросы без очистки (организованные или неорганизованные).

Выбросы после очистки (организованные).

Выбросы делятся на первичные и вторичные.

Первичные (поступают непосредственно от источника выброса).

Вторичные (продукты преобразования первичных в атмосфере).

Для Республики Казахстан проблемы загрязнения атмосферного воздуха были и остаются актуальными. Выбросы в атмосферу вредных веществ от стационарных источников составляют порядка 2,5 млн. т/год, транспортные выбросы превышают 1 млн. т/год. Сегодня порядка 5 млн. жителей Казахстана проживают в условиях загрязненного атмосферного воздуха, при этом не менее 2 млн. - в условиях крайне высокого уровня загрязнения. Поступление различных поллютантов в атмосферу на территории Казахстана

от промышленных источников в последние время составляет около 5 млн.тонн в год, а по ВКО -2230 тыс. тонн.

Критерием оценки влияния выбросов предприятий на атмосферный воздух является сравнение фактических концентраций (примесей в атмосфере), полученных в результате рассеивания выбросов, с предельно допустимыми. Для атмосферного воздуха установлены следующие значения предельно допустимых концентраций (ПДК):

В местах образования вредных веществ (производственные помещения) также установлены значения предельно допустимых концентраций содержания вредных веществ в воздухе рабочей зоны ПДК^ Значения предельно допустимых концентраций для различных веществ, содержащихся в выбросах промышленных предприятий, приведены в таблице 2.

Величина ПДК зависит от влияния вещества на здоровье людей и окружающую природную среду. Выбрасываемые вещества по степени воздействия на организм человека разделены на следую­щие классы опасности (в соответствии с ГОСТ 12.1.007-76):

• 
  чрезвычайно опасные вещества, у которых значение ПДК в воздухе рабочей зоны не превышает 0,1 мг/м³ (I класс);
  
• 
  высоко опасные со значением ПДК_р.з.. от 0,1 до 1,0 мг/м³ (II класс);
  
• 
  умеренно опасные при изменении ПДК_р.з.. в интервале от 1,0 до 10,0 мг/м³ (III класс);
  
• 
  малоопасные вещества, для которых ПДК_р.з.больше 10,0 мг/м³ (IV класс);
  

С_факт ≤ ПДК

Наиболее общим и информативным показателем загрязнения воздуха считается

КИЗА - комплексный индекс среднегодового загрязнения атмосферы

где: C_i –концентрация компонента;

N – число показателей, используемых для расчета индекса;

ПДК_i – установленная величина для соответствующего типа ЗВ.
Его количественное ранжирование по классу состояния атмосферы приведено в таблица 13). Указанное ранжирование по классам состояния атмосферы выполнено в соответствии с классификацией уровней загрязнения по четырех балльной шкале, где:

— класс «нормы» соответствует уровню загрязнения воздуха ни­же среднего по городам страны;

— класс «риска» равен среднему уровню;

— класс «кризиса» — выше среднего уровня;

— класс «бедствия» - значительно выше среднего уровня.

КИЗА обычно применяется для сравнения загрязнения атмосферы различных участков исследуемой территории (юродов, районов и т.д.) и для оценки временной (многолетнем) тенденции изменения состояния загрязнения атмосферы.

Действующие нормы учитывают возможность воздействия на организм не одного какого-либо вещества, а нескольких одинаково действующих на живой организм. В этом случае говорят об эффекте суммации вредного действия.

Если в воздухе присутствует несколько веществ, обладающих эффектом суммации, то количест­во воздуха будет соответствовать установленным нормативам при условии:
с₁/пдк₁ + с₂/пдк₂ +... + с_n/пдк_n < 1,

где С₁ С₂, ..., С_п - фактические концентрации веществ, обладающих эффектом суммации, мг/м ³;

ПДК₁, ПДК₂, .. .,ПДК_п - ПДК веществ данной совокупности. Указанное выражение означает, что в воздухе населенного пункта сумма отношений концентраций к ПДК веществ, обладающих эффектом суммации, не должна превышать 1.

Возникновение чрезвычайных ситуаций, приводящих к дестабилизации или разрушению социальной и природной среды приводит к экологическому кризису. Кризисы обусловлены серьезным загрязнением окружающей среды и подрывом потенциала природных ресурсов.

Несмотря на частое употребление слов «экологический кризис» и «экологическая катастрофа», мы не задумываемся над их научным содержанием. Наиболее общий признак такой ситуации - это неустойчивое, переходное состояние, которое формируется в результате изменений лимитирующих экологических факторов. К экологическим кризисам относят сейчас не только кризисные состояния природных экосистем, но и ухудшение здоровья человека, кризис ресурсов, энергетический кризис.
Глобальные экологические проблемы

1. Изменение климата Земли в результате естественных геологических процессов, усиленных тепличным эффектом, вызываемым изменениями оптических свойств атмосферы выбросами в нее главным образом СО, СО2, других газов;

2. Замусоривание околоземного космического пространства (ОКП), последствия которого до конца пока не осмыслены, если не считать реальную опасность космическим аппаратам, включая спутники связи, локации поверхности земли и другие, широко использующиеся в современных системах взаимодействия между людьми, государствами и правительствами;

3. Сокращение мощности стратосферного озонового экрана с образованием так называемых “озоновых дыр”, снижающих защитные возможности атмосферы против поступления к поверхности Земли опасной для живых организмов жесткой коротковолновой ультрафиолетовой радиации;

4. Химическое загрязнение атмосферы веществами, способствующими образованию кислотных осадков, фотохимического смога и других соединений, опасных для биосферных объектов, включая человека и создаваемых им искусственных объектов;

5. Загрязнение океана и изменение свойств океанических вод за счет нефтепродуктов, насыщения их углекислым газом атмосферы, в свою очередь загрязненной автотранспортом и теплоэнергетикой, захоронения в океанических водах высокотоксичных химических и радиоактивных веществ, поступления загрязнений с речным стоком, нарушения водного баланса прибрежных территорий в связи с регулирования рек;

6. Истощение и загрязнение всех видов источников и вод суши;

7. Радиоактивное загрязнение отдельных участков и регионов с тенденцией его расползания по поверхности Земли;

8. Загрязнение почв вследствие выпадения загрязненных осадков (например - кислотные дожди), неоптимального использования пестицидов и минеральных удобрений;

9. Изменение геохимии ландшафтов, в связи с теплоэнергетикой, перераспределением элементов между недрами и поверхностью Земли в результате горнометаллургического передела (например, концентрация тяжелых металлов) или извлечения на поверхность аномальных по составу, высокоминерализованных подземных вод и рассолов;

10. Продолжающее накапливание на поверхности Земли бытового мусора и всякого рода твердых и жидких отходов;

11. Нарушение глобального и регионального экологического равновесия, соотношения экологических компонентов в прибрежной части суши и моря;

12. Продолжающееся, а местами - усиливающееся опустынивание планеты, углубление процесса опустынивания;

13. Сокращение площади тропических лесов и северной тайги, этих основных источников поддержания кислородного баланса планеты;

14. Освобождение в результате всех вышеуказанных процессов экологических ниш и заполнение ими иными, видами;

15. Абсолютное перенаселение Земли и относительное демографическое переуплотнение отдельных регионов, крайняя дифференциация бедности и богатства;

16. Ухудшение среды жизнеобитания в переуплотненных городах и мегаполисах;

17. Исчерпание многих месторождений минерального сырья и постепенный переход от богатых ко все более бедным рудам;

18.Усиление социальной нестабильности, как следствия все большей дифференциации богатой и бедной части населения многих стран, возрастания уровня вооруженности их населения, криминализации, природных экологических катаклизмов.

19. Снижение иммунного статуса и состояния здоровья населения многих стран мира, включая Россию, многократное повторение эпидемий, имеющих все более массовый и тяжелый по последствиям характер.

Это далеко не полный круг проблем, которые необходимо решать.
Научно-технический прогресс вызвал многие последствия, которые от носят к экологическим. Сложилось обоснованное мнение о том, что последствием прогресса является деформация окружающей среды. Прежде всего, это было замечено в отношении увеличения концентраций так называемых малых газов в атмосфере. Темпы их ежегодного прироста составляют: диоксида углерода - 0,5 %, метана - 0,9, оксидов азота 0,25, хлорфторуглеводородов - 4%.

Тенденция роста концентрации малых газов особенно резко появилась в середине ХХ века. Сравнения стали возможны благодаря анализу палеотемператур. Основой для их определения служит анализ соотношения стабильных изотопов во льду. Анализ ледяных кернов в Антарктиде позволил установить характерную тенденцию роста. Сейчас их роль в парниковом эффекте не вызывает сомнений.

Понятие парникового эффекта вначале появилось в физике. Оно было сформулировано Тиндаллом еще в 1863 г. В 1896 г. Аррениус показал, что диоксид углерода, составляющий ничтожную часть атмосферы (примерно 0,03 %), поддерживает ее температуру на 5 - 6 ^оС выше, чем если бы этот газ отсутствовал. В 1938 Каллендер впервые высказал предположение о возможном влиянии антропогенных выбросов углекислого газа на климат.

При глобальном потеплении на 1^оС количество осадков заметно возрастет на широтах от 10 до 30 ^о с.ш. к северу от 50 ^о с.ш., в то время как между 30 и 50 ^о с.ш. количество осадков даже уменьшится.

Если прогнозы о предстоящем потеплении на ближайшие 50 лет оправдаются, то оно будет происходить в результате комбинации естественных температурных трендов и парникового эффекта.

Гипотеза парникового эффекта основана на представлениях о высокой чувствительности термического режима Земли к изменениям концентрации диоксида углерода в атмосфере с учетом тенденции роста потребления минерального топлива на ближайшие десятилетия.

Парниковый эффект приводит к таянию «ледовых шапок», к повышению уровня Мирового океана, к наводнениям, которые мо-гут смести целые острова и государства. Эксперты полагают, что уровень Мирового океана повыситься к концу столетия почти на один метр. Так обернется потепление для одних стран. Но для других - это засухи, падение урожаев, эпидемии и массовый голод.

Глобальные потепление может привести к тому, что морские потоки найдут другие пути, что приведет к изменению климата в Европе, поскольку теплая вода Гольфстрима уже не будет прод­вигаться так долеко на север, как сейчас.

Резкое сокрашение популяции белых медведей, пигвинов, за­топление обжитой полосы пляжей на десятках тысяч кило-метров, глобальный дефецит пресной воды - таковы другие воз-можные последатвия бесконтрольного выброса парниковых газов.

Глобальное потепление нанесет серьезный урон морским эко­системам. Затопление прибрежных мелководий лишит молодь ры-бы, птицы, креветок, моллюсков и других обитателей морей нагульных мест. Это приведет к существенному сокращению коли-чества морепродуктов, добываемых для пропитания человечества. Наибольий урон понесут страны, добывающие большую часть пищевого белка в морях и океанах.

Климатические изменения могут преподнести неожиданности населению Земли. Продвижение тропических и субтропических зон от экватора к полюсам будет неизбежно сопровождаться расширением ареалов обитания болезнетворных насекомых, пара-зитов, микробов и вирусов, которые принесут в средние широты тяжелые и нередко смертельные заболевания. Ослабление сопро-тивляемости людей заболеваниям из-за надоедания в сочетании с нашесивием нетрадиционных для средних широт болезней может привести к крупным эпидемиям.

Ученые давно высказывали опасения, что глобальное потеп­ление может в конце концов привести к таянию огромного За-падно- Антарктического ледникого щита, что вызовет повышение уровня Мирового океана на катастрофическую величину - 6 м или около этого.

Термин «кислотные дожди» ввел в 1872 г. английский инженер Роберт Смит в книге «воздух и дождь: начало химической климатологии». Кислотные дожди, содержащие растворы серной и азотной кислот, наносят значительный ущерб природе.

При сжигании любого ископаемого топлива (угля, горючего, сланца, мазута) в составе выделяющихся газов содержатся диоксиды серы и азота. В зависимости от состава топлива их может быть больше или меньше. Особенно насыщенные сернистым газом выбросы дают высокосернистые угли и мазут. Миллионы тонн диоксидов серы, выбрасываемые в атмосферу, превращают выпадающие дожди в слабый раствор кислот.

Окислы азота образуются при соединении азота с кислородом воздуха при высоких температурах, главным образом в двигателях внутреннего сгорания и котельных установках. Получение энергии сопровождается закислением окружающей среды.

Дождевая вода, образующаяся при конденсации водяного пара, должна иметь нейтральную реакцию, т.е. рН=7 (рН - показатель, характеризирующий кислотные или щелочные свойства раствора). Но даже в самом чистом воздухе всегда есть диоксид углерода, и дождевая вода, растворяя его, чуть подкисляется (рН 5,6-5,7). А вобрав кислоты, образующиеся из диоксидов серы и азота, дождь становится заметно кислым. Уменьшение рН на одну единицу означает увеличение кислотности в 10 раз, на две - в 100 раз и т.д. Мировой рекорд принадлежит шотландскому городку Питлокри, где 20 апреля 1974 г. выпал дождь с рН 2,4 - это уже не вода, а что-то вроде столового уксуса.

В водоемы, пострадавшие от кислотных дождей, новую жизнь могут вдохнуть небольшие количества фосфатных удобрений; они помогают планктону усваивать нитраты, что ведет к снижению кислотности воды. Использование фосфата дешевле, чем извести, кроме того, фосфат оказывает меньшее воздействие на химию воды.

Большая часть озона находится в стратосфере между 15 и 25 км. Он является радиационно-активной малой газовой составляющей и представляет собой продукт природных и антропогенных химических и фотохимических реакций в нижней и верхней атмосфере. Толщина озонового слоя -2-3 мм. Озон является важным парниковым газом.

Истощение озонового слоя признано всеми как серьезная угроза глобальной экологической безопасности. Оно ослабляет способность атмосферы защищать все живое от жесткого ультрафиолетового излучения, энергии одного фотона которого достаточно, чтобы разрушить большинство органических молекул. Поэтому в районах с пониженным содержанием озона многочисленны солнечные ожоги, увеличивается количество заболеваний раком кожи и т.д.

Помимо негативного влияния на здоровье, истощение озонового слоя приводит к усилению парникового эффекта, снижению урожайности, деградации почв, общему загрязнению окружающей среды.

Предполагается как естественное, так и антропогенное происхождение «озоновых дыр». Последнее, по мнению большинства ученых, более всего вероятно и связано с повышенным содержанием хлорфторуглеродов (фреонов). Фреоны широко применяются в промышленном производстве и в быту. В атмосфере фреоны разлагаются с выделением оксида хлора, губительно действующего на молекулы озона.

В 1985 г. в Вене была принята конвенция об охране озонового слоя, а в 1987 г. в Монреале подписан международный протокол о сокращении выбросов озонразрушающих веществ.

Существенное уменьшение концентрации озона в стратосфере может оказать разрушительное воздействие на человечество и биосферу в целом.