Формирование экосистем

Экосистемы формируются под воздействием биотических и абиотических факторов. Абиотические факторы: 2 абиотических фактора среды (температура и количество осадков) определяют размещение на земной поверхности основных наземных популяций. Влага – основной фактор определяющий разделение экосистем на лесные, степные и пустынные. Это происходит следующим образом: годовая сумма осадков ниже 1000 мм соответствует стрессовой зоне для многих видов деревьев, а предел устойчивости для них составляет около 750 мм в год. В тоже самое время у злаков предел устойчивости ниже 250 мм в год, а кактусы способны произрастать при 50-100 мм в год. Соответственно в местах с количеством осадков более 750 мм в год развиваются леса, от 250-750 мм – степи, в других случаях пустыни.

Температура также важна для определения характера экосистемы, однако ее роль меньше в сравнении с осадками. При количестве осадков 750 мм в год температура лишь определяет какой именно лес будет формироваться в регионе. От температуры зависит скорость испарения воды: чем теплее, тем быстрее теряется выпавшая влага, поэтому в жарких регионах пустыни сменяются лесами при большей сумме осадков, чем надо.

Действие других абиотических факторов (рельеф, ветер, тип почв) происходит опоследовательно через температуру и влажность. В ряде случаев в качестве лимитирующего факторов выступает не только температура и осадки, но и другие абиотические факторы. Например: высокую засоленность берега море выдерживают не многие виды растений.

В роли лимитирующего фактора нередко выступают и биотические факторы, те путем воздействия одних видов на другие. Так при годовой сумме осадков выше 750 мм в год условие для развития злаков весьма благоприятны, однако такая же влажность способствует и росту деревьев затемняющих злаки, что приводит к гибели последних. Таким образом, фактор препятствующий развитию злаков на территории является биотическим, а именно конкуренцией растений может так же ограничиваться грибами – паразитами и животными.

Физические барьеры – море, горные хребты, пустыни. Именно их наличие объясняет тот факт, что экосистемы, развивающиеся на разных континентах, на далеких от них островах в сходных абиотических условиях могут сильно отличаться по своему видовому составу. Необходимо отметить, что не один из факторов не действует в одиночку. Например, засуха может привести к гибели птиц, а это вызовет рост насекомых, повлечет за собой массовое поражение растений, которые служат пищей других консументов.

Существование экосистемы поддерживается очень тонким взаимодействием лимитирующих факторов, влияющих на все виды организмов. Нельзя изменит какой-либо фактор не затронув существование всех элементов экосистемы. Следовательно, изменение любого (биотического или абиотического) фактора должно неизбежно приводить в действие цепную реакцию с далеко идущими последствиями.

Биотические факторы

Нейтрализация – вид взаимоотношений при котором различные популяции, живущ-ие на одной территории, не влияют друг на друга (лось и белка)

Комменсализм – вид взаимоотношений, при котором один из видов извлекает пользу от совместного существования.

Протокооперация – совместное существование выгодно обоим видам, но не обязательно.

Мутуализм – существ-ие 2-х видов не только выгодно, но и обязательно (пчела – цветок).

Принцип функционирования экосистемы

1. Продуценты, консументы, детритофаги взаимодействуют друг с другом, поглощают и выделяют различные вещества. Органика и кислород образуемые продуцентами – как раз, то что нужно консументам для питания и дыхания, а выделяемый консументами углекислый газ и минеральные вещества – то, что нужно продуцентам. Именно здесь виден основной принцип функционирования экосистемы: получение ресурсов и избавление от отходов происходит в рамках круговорота всех веществ.

2. Поток энергии в экосистемах полностью соответствует началу термодинамики. Можно говорить о системах превращения энергии из одной формы в другую, а именно энергии солнца в энергию фотосинтеза, а ее в другие формы по мере прохождения цепи. На каждом уровне часть потенциальной энергии высвобождаясь позволяет организму осуществлять жизненные функции, те работать и параллельно теряется в виде тепла. Таким образом речь идет о потоке энергии через экосистему. Это есть 2 принципа: экосистема живет за счет не загрязняющей среду и практически вечной солнечной энергии, количество которой относительно постоянно и избыточно.

3. Снижение биомассы с ростом трофического уровня. Любую популяцию живых организмов можно рассматривать как биомассу, которую каждый год увеличивается за счет разложения организмов и за счет роста и одновременно сокращается за счет их естественной гибели и потребления консументами. Если она на постоянном уровне, как это бывает в стабильной экосистеме, значит, фитофаги съедают за год не больше того, что производят продуценты. Если они могут съедать больше популяция продуцентов в конце концов исчезнет. Во-вторых, существует доля, потребляемая консументами, которая не усваивается и возвращается в экосистему в виде экскрементов. Если при этом учесть, что большая часть переваренной пищи расходуется на выработку энергии, становится понятным, почему общая масса продуцентов во много раз больше чем у травоядных животных. Тоже самое объясняется при переходе с одного трофического уровня на другой. Это объясняет 3й основной принцип устойчивости и функция: чем больше масса популяции, тем ниже должен быть заполняемый ею трофический уровень.

Устойчивость экосистемы

Основой равновесия является равновесие популяций.

Популяцией называется группа особей скрещивающихся друг с другом и таким образом размножающихся. Стабильность популяции означает, что рождаемость в ней уравновешивается смертью. Другим фактором ведущим к росту популяции является способность животных мигрировать, а семян рассеиваться в подходящем для жизни месте на новых территориях. Наличие у популяций защитных механизмов – следующий фактор и устойчивость их к неблагоприятным условиям среды и болезням.

Совокупность всех этих факторов называется биотическим потенциалом. При благоприятных условиях среды биотический потенциал достаточен для стремительного увеличения численности популяции, так называемый популяционный взрыв. В естественных условиях такое бывает редко. Обычно один или несколько абиотических факторов (температура, кислотность, влажность) или биотических (присутствие хищников, нехватки пищи), становится лимитирующим. Сочетание таких лимитирующих факторов называется сопротивление среды. Таким образом, изменение популяции какого-либо вида – результат нарушения равновесия между биотическим потенциалом и сопротивлением среды. Устойчивость экосистем в целом, определяется равновесием биотического потенциала и сопротивления среды Равновесие в природных системах поддерживается в пределах некоторого диапазона, те фактор сопротивления среды зависит от плотности популяции. Если плотность растет, сопротивление среды усиливается, в связи с этим увеличивается смертность и рост численности прекращается или даже сменяется ее спадом, и наоборот.

Рассмотрим на примере хищник - жертва. Когда численность жертвы невысокая, пищи и удобных укрытий достаточно, численность популяции начинает расти, не смотря на присутствие хищника. С ростом популяции жертвы улучшаются условия для хищника и его численность растет. Вскоре популяция жертвы начинает испытывать сопротивление среды (нехватка пищи, множество хищников) и их численность начинает уменьшаться. Выживают только сильные особи жертвы. Шансы их поймать у хищников снижаются. Они испытывают недостаток пищи и численность хищников уменьшается, начинается рост популяции жертвы и процесс продолжается и тд. Тоже самое в равновесии продуцент – фитофаг.

Воздействие человека на природу нередко приводит к вымиранию популяции, тк сила воздействия не зависит от их плотности. Разрушение человеком экосистем, изменение мест обитания, загрязнение среды и чрезмерная эксплуатация ресурсов одинаково влияют на популяцию как с низкой так и с высокой плотностью.

Изменение экосистем

Естественные экосистемы существуют длительное время и обладают определенной стабильностью, но любая экосистема испытывает медленное, но постоянное изменение во времени. Постоянно происходит вытеснение одних видов другими – субцессия.

Первичная субцессия – процесс развития и смены экосистемы на незаселенных ранее участках. Пример: замена озерной экосистемы лесом. Так ручьи и реки впадая в водоем приносят частицы почвы, которые оседают на дно, когда донные отложения оказываются близки к поверхности воды, появляются кувшинки, корни которых хорошо скрепляют наносы. Наконец наносов становиться столько, что он обнажается из под воды, что он становится доступным для заселения деревьями и травами – наземная экосистема постепенно заменяет озерную. Постепенно озеро полностью зарастает лесом.

Вторичная субцессия – процесс восстановления экосистемы, когда-то существовавшей на этой территории. Например, если поле на месте вырубленного здесь леса перестать обрабатывать, то обычно за несколько стадий здесь вновь сформируется лесная экосистема типичная для данного района.

Как для первичной, так и для вторичной субсцессии необходимы семена и споры растений, а так же животные которые могут заселить экосистему. Для вторичной субсцессии необходимо чтобы с самого начала был плодородный слой почвы. Если он уничтожен, то субсцессия пойдет по пути первичной. Субсцессия завершается стадией когда все виды экосистемы размножаясь сохраняют относительную численность и дальнейшей смены ее состава не происходит. Такое равновесное состояние называют климаксом, а экосистему климаксовой.

В различных абиотических условиях формируются различные климаксовые экосистемы. В жарком климате – пустыни и тд. Насколько быстро меняются экосистемы (за годы или 1000-летия) зависит от степени сдвига равновесия. При субсцессиях изменение происходит медленно и постепенно, однако возможны и внезапные резкие изменения, вызывающие популяционный взрыв некоторых видов за счет гибели большинства других. В таких случаях говорят об экологическом нарушении. Оно возможно, например при вторжении в экосистему новых видов (про кроликов, сброс в воду нечистот – вызывает бурный рост водорослей). Наконец изменения могут быть столь резкими, что не один компонент экосистемы не сохраняется – говорит о ее гибели. На освобождающимся месте в последствии могут поселится другие виды, которые способны выдержать новые условия, они начинают новую субсцессию. Важно отметить, если не считать извержения вулканов, землетрясения, то все изменения экосистем протекают постепенно по типу субсцессии. Тогда как вмешательство человека бывает резким, приводящим к гибели экосистемы.

Трофические цепи.

По способу питания делятся на автотрофы и гетеротрофы. Поэтому взаимосвязности пищевые. Все живые организмы связаны между собой обмениваются в-вами и энергией, т.е имеют пищевые взаимоотношения. В результате возникают пищевые (трофические) цепи. Пищевая цепь – это последовательный перенос в-ва и энергии от источника зеленые растения, через джругих организмов на более высоких трофических уровнях, т.е путем поедания одних организмов другими. Трофическую структуру графически представляют в виде пирамиды и различают 3 основные пирамиды: чисел, биомасс, энергии. Устанавливают основное правило, согласно которому в любой среде растет большое число животных, травоядных больше чем плотоядных, насекомых больше чем птиц. Можно констатировать, что при переходе одного трофического уровня на другой число особей уменьшается, а размеры их увеличиваются.

Экологическая ниша. Принцип Гаузе.

Каждая популяция как полноправный представитель вида в экосистеме имеет свое место. Экологическая ниша – сфера жизнедеятельности вида в экосистеме. Признаки или компоненты экологической ниши:

1. определение местообитания

2. биоценотическая роль, т.е производство или потребление или разрушение

3. положение внутри собственных трофических уровнях, т.е доминирование или подчинение

4. место в пищевой цепи

5. положение в системе биотических отношений

6. экологическая нишу можно представить как часть воображаемого пространства 2-х, 3-х или многомерного.

<рис> по взаимному расположению экологические ниши бывают: несоприкасаемые, соприкасаемые, но не перекрывающиеся, соприкасаемые и перекрывающиеся. Последний случай есть причина острой конкурентной борьбы и основные принципы этой борьбы определяется принципом Гаузе или принципом исключения или соревнование внутривидовая, межвидовая. Конкурентная борьба может происходить за пищу, укрытие, место под солнцем, за территорию, где много полезных биогенных элементов. Метод конкурентной борьбы:

- интенсивное размножение

- способность лучше защитить себя .

Межвидовая конкуренция может привести либо к установлению равновесии, либо к замене популяции одного вида другим видом. Либо один вид полностью вытеснит другой в иное место, либо заставит, есть другую пищу.

Установлено что 2 одинаковых, в экологическом отношении и потребности, вида не могут сосуществовать в одном месте и рано или поздно один вид вытеснит другой. Это и утверждает принцип Гаузе. Из этого принцип сдетует , что каждый вид в природе занимает определенной место. Оно определяется положением вида в пространстве, выполнением или функциями его отношения к абиотическим факторам. Экологический эквивалент - организмы, которые занимают несоприкасаемые ниши в разных географических областях. К ним относятся кенгуру, которая обитает в Австралии и антилопы в саваннах Африки. В некоторых случаях один и тот же вид занимает разные экологические ниши в разных местах обитания. Например медведь в тайге является консументом 3-го рода, т.е он всеяден, а в лесах Малайзии он консумент 1-го рода (есть только траву). В каждой экосистеме могут быть свободные экологические ниши, которые могут позволять внедряться в новые ниши. Пример, колорадский жук.

Возникновение жизни на земле

Приблизительно 4,5 млрд лет в результате накопления теплового излучения зародыши перешли в расплавленное состояние. Дальнейшее охлаждение привело к образованию коры. Более тяжелые частицы ушли к центру. Таким образом образовались ядро, мантия, кора. Дальнейшее развитие каждой из планет шло индивидуально в зависимости от наличия воды во внешней оболочки. В части наличия большого кол-ва аоды во внешней оболочке земной коры обеспечивает грандиозный круговорот литосферы и орган мира, что явилось основой наличия жизни на земле. Возникновение жизни на земле отмечается 4 этапа, Из них 3 называют химической эволюцией: мономер->полимер->биополимер->коацерват. Коацерваты уже характерно упорядоченные молекулы и способны отсарбировать различные в-ва. Предполагалось, что обособленные системы молекул способны взаимодействовать с внешней средой и привели к образованию пробионтов. Пробионты явились предшественниками живых организмов. Первые живые организмы возникли в так называемую архейскую эру. Они были гетеротрофами. Они поглощают готовые органическ в-во свое деятельности. Но когда органическое в-во заканчивалось, возникли автотрофы, которые сами синтезировали, то органическое в-во. Так возникло 2 царства животных 9гетеротрофов) и растений (автотрофы). Эры: архейская, протерозойская, палеозойская, индозойская, кайнозойская сост из 2-х периодов: критический и четвертичный. Критич характеризуется теплым климатом, кот способствует развитию пищевых связей между различными классами и видами. Четвертичн – редкое похолодание, затем потепление это приводит к тому, что льды тают. Стали возникать сухопутные дороги между материками и по этим дорогам начался обмен между животными и растениями. Иначе кайнозойскую эру называют антропогенной. В этот период отмечается интенсивность развития приматов и от одной групп обезьян (австралопитеков) отделились предки современного человека. 1,5 млн лет назад появился человек разумный и появился современный цивилизация. Появление человека привело к дальнейшей эволюции биосферы. Произошел переход от естественной биосферы к продукту взаимодействию, биотехносфера – продукт взаимодействия биосферы с человеком. Вернадский предположил, что следующим этапом эволюции биосферы – новосфера – период различного взаимодействия между человеком и средой его обитания. Самое лучшее что может человек – непротиворечить законам природы и способствовать её развитию.

Понятие популяции. Показатели характеризующие популяционную структуру

Организмы одного вида в природе всегда представлены не по отдельности, а определенными организованными популяциями. Популяция – совокупность особей одного биологического вида длительное время населяющих определенное пространство, имеющих общий генофонд, возможность скрещиваться и в той или иной степени изолированных от других популяций. Различают половую, возрастную, генетическую и экологическую структуру популяции.

Возрастная структура популяции – соотношение в составе популяции особей разного возраста представляющих один или разные приплоды одного или нескольких поколений. Поколение может состоять из особей одного приплода и из особей разных приплодов. Приплод может состоять из особей разных поколений. Так упавший с 1000 - летнего дуба желудь прорастает и через 20 лет пыльца молодого дуба может опылить цветы родительского дерева, которое на 50 поколений старше.

Половая структура - соотношение особей разного пола. Существенное значение эта половая структура имеет для тех форм, у которых четко выражена бисексуальность, преимущественно для членистоногих и беспозвоночных. 2х факторный хромосомный набор обеспечивает равную численность полов, но у некоторых животных наблюдается не 2х, а 3х и более факторная генетическое определение пола. Это приводит к более сложной половой структуре популяции и заметному отношению в сторону женских особей. Крайним проявлением такого является партеногенетические популяции из одних самок. В ряде случаев соотношение плов определяется не генетическими, а физиологическими, гормональными факторами и условиями среды. Например у муравьев-термитов пол зависит от температуры эмбрионального развития.

Генетическая структура – определяется изменчивостью и разнообразием генотипов и фенотипа (разнообразием внешних факторов).

Пространственная структура – характер размещения и разделения отдельных членов популяции по территории. В популяции реализуется принцип – все особи и их группы обладают индивидуальным и групповым пространством – образуются стаи, стада и т.д.

Экологическая структура – подразделенность популяции на группы особей взаимодействующих с природой. Выделяется по питанию, поведению, двигательной активности. У многих животных хорошо выражены реакции избегания опасности, поиска добычи. Количественные характеристики популяции бывают статические и динамические. Статические показатели – состояние популяции на данный момент времени: численность, плотность и показатели структуры. Численность поголовья животных или количество растений в пределах какого-либо района. Плотность – число особей на количество территории. Плотность популяции определяется без учета неравномерности распределения особей на площади или в объеме, те среднюю плотность на единицу площади. Динамические показатели – характеризуют процессы протекающие в популяции за какой то промежуток времени. Основные показатели: рождаемость, смертность, скорость роста. Рождаемость – число особей рождающихся в популяции за единицу времени. Еще пользуются термином продукция: сумма прироста массы всех особей из множества популяций за единицу времени. Смертность – число особей погибших за единицу времени, но убыль и прибыль в популяции зависит не только от рождаемости и смертности, но и от их миграции и эмиграции. Увеличение численности зависит от количества отрожденных и иммигрирующих, а уменьшение, убыль численности от гибели и эмиграции. Рождаемость определяется соотношением ΔN/Δt (ΔN – число особей рожденных за время Δt). Удельная рождаемость ΔN/NΔt (где N – исходная численность). За бесконечно малый промежуток времени получим удельную мгновенную рождаемость “b” – имеет размерность единица времени в “-1” степени и зависит от интенсивности размножения особей. Бактерии – час, насекомые – месяц, млекопитающие – год. Смертность измеряется в тех же величинах и вычисляется в тех же формулах. При Δt→0 мы имеем мгновенную удельную смертность которую обозначают буквой “d”. Величины рождаемости и смертности ≥0. Скорость изменения численности популяции, те чистое увеличение и уменьшение можно представить “r=b-d”. Если b=d, тогда r=0 и популяция находится в стационарном состоянии. Если b≠d, то r>0 и имеем численный рост популяции. Если b<d – снижение численности на данном отрезке времени. Эта формула важна для определения смертности, которую трудно определить непосредственно, определяется наблюдением, тогда d=b-r.

Популяционная характеристика человека

Статистические показатели:

Плотность населения – количество человек на 1 км². Численность – количество человек в пределах некоторой пространственной единицы. Численность человеческой популяции определяется путем переписи населения всего государства. Плотность населения определяется без учета неравномерности распределения по площади. Показатели структуры: половой (соотношение полов), размерным (соотношение людей разных размеров), возрастной.

Динамические показатели:

Рождаемость – число людей рождаемых в единицу времени. Смертность число людей погибших в единицу времени. Убыль и прибыль – зависят не только от рождаемости и смертности, но и от скорости эмиграции и иммиграции. Уменьшение или убыль – зависит от смертности и эмиграции.

Продолжительность жизни: различают физиологическую и максимальную продолжительность жизни.

Физиологические – определяются только физиологическими возможностями организма.

Максимальная продолжительность жизни - та, до которой может дожить лишь малая доля в реальных условиях среды.

Смертность и рождаемость существенно изменяются с возрастом. Только увязав смертность и рождаемость с возрастной популяцией можно вскрыть механизм общей смертности и определиться со структурой продолжительности жизни. Эту информацию можно получить из демографической таблицы, которая содержит сведения о характере распределения смертности с возрастом.

Демография - изучает размышление, численность, состав и динамику народонаселения, а таблицу используют для определения ожидаемой продолжительности жизни.

С древнейших времен до начала 19 века численность народонаселения колебалась около нескольких сотен миллионов человек, то медленно возрастая, то снижаясь из-за эпидемий и волн голода. Однако за последние 200 лет ситуация заметно изменилась. Население перешло от состояния медленного роста к эпохе взрыва подобного увеличения. В настоящее время численность населения ежегодно увеличивается на 90 миллионов человек. В течении 2х последних десятилетий темпы прироста начинают снижаться. По прогнозам в середине этого столетия численность населения стабилизируется порядка 10 миллиардов. С проблемой народонаселения придется решать проблему изменения климата и истощения ресурсов.

Экология человека

Итак, первобытные люди жили небольшими племенами и в добывании пищи мало чем отличались от животных. когда пища заканчивалась, они переходили на другое место. Важнейшим событием был переход на сельское хозяйство, когда человек научился производить и запасать пищу и вообще, бороться с сопротивлением среды. Например, запасать воду, строить жилища, их обогревать. Научился избавляться от лимитирующих факторов.

Человек подчиняется тем же законам, что и другие виды.

Когда сопротивление среды ослабевает, численность популяции растет. Но в отличие от других, мы сами снизили сопротивление среды. И воздействуя на уравновешивающие факторы мы практически нарушили все природные балансы.

При снижении плотности популяции, сопротивление среды ослабевает. Но в случае с человеком, такая обратная связь не работает и с помощью техники и сельского хозяйства мы эксплуатируем природные ресурсы вплоть до их полного истощения, приведя к исчезновению многих видов и даже целых экосистем.

Природные ресурсы

Хозяйственная классификация (по отраслевой принадлежности):

топливно-энергетические, сельскохозяйственные

Естественная классификация

животные, растительные, природные ресурсы

Земельные ресурсы:

Леса - 40%, Тундра - 8%, Города - 3%, Болота - 10%, Луга - 17%, Пашни - 10%

Лесные ресурсы:

За год леса производят огромное кол-во (1 млрд тонн) фитомассы. При этом связывается 1,5 млрд тонн углерода, поглощается 5,5 млрд тонн CO2, выделяется 4,25 млрд тонн О2. В результате вырубки лес сократился за последние 5 лет сократился на 8 млрд м^3

Животный мир

За последние 300 лет исчезло 130 видов

Из нижегородской области - 6 видов (олень, степные птицы)

Основные причины :Использование ядохимикатов, Сокращение мест обитания

Водные ресурсы

Наибольшее кол-во воды в Бразилии, в России - озеро Байкал (70% пресной воды в россии и 20% в мире).

Экологическая классификация (исчерпаемость и возобновимость природных ресурсов).

Природные ресурсы:

- Неисчерпаемые:

солнечная энергия, ветер, приливы, геотермальная

-Исчерпаемые:

Возобновимые, воздух, вода, почва, растения, животные

- невозобновимые

органическое топливо, минеральные ресурсы, металлы

Проблемы с ичерпаемыми:

1. Скорость потребления превышает скорость возобновления

2. Ограниченность невозобновляемых ресурсов

Задача состоит в том, чтобы разработать альтернативные источники: биотопливо, использование энергии ветра, солнечной. морских волн, геотермальной.

	уголь	газ	нефть
С.Америка	26	9	5
З.европа	6	3	2
Юго-вост. Азия	24	7	3
россия	17	30	10
бл. восток	5	35	65

Ресурсный цикл.

Совокупность превращения вещества на всех этапах его использования человеком.

<рис>

На первых этапах часть добычи остается в местах залегания, часть теряется при транспортировке. Продукция со временем приходит в негодность. Большая часть уходит в отходы, загрязняя окружающую среду. Поэтому понятие ресурсный цикл не совсем верно, так как он не замкнут.

Малоотходное и безотходное использование полезных ископаемых. Поиск новых мест залегания. Замена дефицитных материалов менее дефицитными.

Антропогенные воздействия окружающей среды.

осуществляются по двум направлениям:

- потребление природных ресурсов

- загрязнение окружающей среды

Природные ресурсы

- сырье материалы

- топливо

- 02

- Н2О

- солн. энергия

=>

Производство

- продукция

- выбросы в атмосферу

- сбросы в гидросферу

- твердые отходы в литосферу

Загрязнение окружающей среды есть внесение в экосистему несвойственных ей компонентов, которые прерывают круговорот веществ, их ассимиляцию, поток энергии вследствие чего данная экосистема разрушается. Косвенными страдающими объектами являются животные, растения и человек.

Классификация загрязнений:

1. Природные (космическая пыль)

2. Антропогенные

а) механические загрязнения (засорение мусором)

б) химические загрязнения

в) физические (

- тепловые

- световые - уменьшение естественной освещенности и использование искусственных источников

- шумовые

- электромагнитные

- радиоактивные

+ аварии на станциях

+ плановые и неплановые испытания ядерного оружия

+ захоронения отходов

г) биологические - внесение в экосистему чждых ей сообществ, видов и популяций

д) микробиологические - распространение новых микробов.

Основные виды химических загрязнений.

Техногенные пути поступления азота в экосистему:

- выбросы предприятий нефтехимии

- выхлопные газы

Атмосфера накопляется оксидами азота. Становится тоньше озоновый экран, при взаимодействии с водой образуется азотная кислота, которая выпадает в виде кислотных дождей.

- минеральные азотные удобрения - обогащается в виде нитратов.

Техногенный путь поступления серы

- предприятия бумажной, нефтяной, химической промышленности

образование кислотных дождей

Техногенные пути поступления фосфора

- моющие средства

- дихлофос (входит в состав пестицидов и мин. удобрений, внесение которых приводит прежде всего к цветению водоемов)

- избыток фосфора загрязняет почву

Все, кроме хлора находятся в микроколичествах.

- там, где предприятия перерабатывают бурые водоросли - загрязнение йодом.

- в зимний период дороги обрабатывают солью - загрязнение хлором

Оксиды углерода и углеводороды

- из оксидов углерода наиболее опасным является монооксид углерода, который взаимодействует с гемоглобином крови. Снижает возможности крови переносить кислород. Основная масса - двигатель внутреннего сгорания.

Углеводороды

- двигатели внутреннего сгорания, а также биологические процессы: рисовые поля и животноводческие фермы.

Тяжелые металлы.

- в почву в качестве отходов сточные воды сбрасывают в атмосферу гальванических покрытий.

В почву также сбрасывается отходы химических производств, рудников.

Детергенты

- все что входит в состав моющих средств (ПАВ, моющие эмульсии) - сбрасывается в воду без обработки. Убивает полезные микроорганизмы в воде. В конечном итоге приводит к полной парализации водоема.

Нефть и нефтепродукты.

- по содержанию легких фракций

обладают повышенной токсичностью для микроорганизмов.

- по содержанию тяжелых фракций (парафинов)

Не опасны для живых организмов, но собираются на поверхности водоема в виде сгустков, волнами прибиваются к побережью, парализуя поверхность (почву)

- по содержанию серы

Пестициды

- средства для борьбы с насекомыми изготавливаются промышленностью в виде гранул, порошков, аэрозолей). Польза лишь 5%. Остальное остается в окружающей среде, загрязняя ее и оказывая пагубное влияние на человека.

Защита атмосферы от загрязнений.

Основные пути загрязнения:

- Выбросы автомобилей: углеводороды, бензопирен, тетроэтил свинца

- Промышленность

- химическая

- деревоперерабатывающая

- нефтеперерабатывающая

- металлургическая

- Тепловые электростанции, работающие на твердом топливе.

пример: нарушение озонового экрана

Озоновый экран образуется в стратосфере в результате того, что под действием ультрафиолетового излучения молекула кислорода распадается на атомарный кислород. Атомарный кислород - на озон

О₂<->О+О

О₂+О->О₃

Толщина: 2.5-3.5 мм

ДВС, N_xO_y, Cl₂, CF₂Cl₂

Вклад в парниковый эффект вносят водяные пары, оксид азота N2O S2O, CH4

Основная часть поглощается поверхностью, 30% возвращается в космос. Поглощенная энергия преобразуется в теплоту и излучается в космос в диапазоне инфракрасного излучения. Если атмосфера не загрязнена, то она "чиста"("прозрачно") для излучения. А если она загрязнена этими газами, то атмосфера поглощает инфракрасные лучи, не пропускает их и происходит разогрев атмосферы. И планета оказывается как-бы под колпаком парника. Это приводит к таянию ледников и затоплению суши. Это влияет также на параметры орбиты, например угол наклона вращения и количество энергии, получаемой от солнца, а также: Количество пыли, которое выбрасывается вулканами, Соотношение уровня поверхности земли и океана.

Кислотные дожди. Выпадение кислых осадков с Ph<5. Ответственным за выпадение кислотных дождей является оксид серы и оксид азота, который в результате взаимодействия с водяными парами образует кислоту. Самоочищение происходит за счет выпадения кислых дождей, снега. Самоочищение может происходить и при сухом осаждении кислых осадков, когда молекулы газа осаждаются на пыль, в которой медленно образуются молекулы серной кислоты. Которая выпадает в виде смога. Кислотные осадки растворяют слой воска на листьях и они становятся уязвимыми для микроорганизмов и в конечном итоге погибают. При ph<4 резко снижается активность редуцентов и азотфиксирующих бактерий. Попадание кислотных дождей на почву приводит к тому что дремавшие соединения тяжелых металлов приходят в растворимое состояние, и включаются в пищевую цепь. Под действием кислотных дождей погибает молодая поросль в водоемах. Начинается коррозия строительных конструкций.

Контроль качества состояния.

Для санитарной оценки используется несколько видов ПДК мг/м^3

1) ПДК среднесуточная

ПДК - концентрация, которая не должна оказывать прямого или косвенного вред для человека в период неопределенно долгого круглосуточного дыхания.

2) ПДК рабочей зоны

- ПДК среднесменная

предельная концентрация, усредненная за 8ми часовой рабочий день. Эта концентрация не должна вызывать каких-либо отклонений от состояния здоровья. Для того чтобы определить концентрацию среднесменную и сравнить с допустимой, изучают концентрацию не менее чем 75% рабочего времени.

- ПДК максимально разовая

для сравнения с ней изучают концентрацию вредных веществ за 15 минут его активного выделения

ПДК сред сут | ПДК м.р. | ПДК сре. см.

ПДВ.

Пдв - количество или объем загрязняющего вещетва, которое выбрасывается отдельным источником за еденицу времени

С1/ПДК1 + C2/ПДК2 + C3/ПДК3 <= 1

Выбросы в атмосферу пыли, газов.

Борьба с загрязнениями идет по трем направлениям:

1) совершенствование печей и иных источников выброса с т. з. полноты сгорания за счет оптимизации режимов горения.

2) внедрение новых очистных аппаратов

3) применение средств просеивания для удаления загрязняющих веществ от источника

Трубы

Как правило на предприятиях используют высокие трубы и если высота 200 м, то рассеивается на площадь 25 км. Если 250 м, на 75км. С увеличением высоты трубы ее стоимость возрастает пропорционально кубу высоты.

См=A*M*F*m*n/(H^2*(v*dT)^3/2) - формула максимально возможной концентрации выброса

A - коэффициент географической стратификации

М - масса выброса, г/c

F - скорость оседания частиц. для газа F=1, для пыли и золы либо 2 либо 3, в зависимости от степени очистки.

m,n - табличные величины, учитывающие условия выхода газо-воздушной смеси из устья.

V - объем газовоздушной смеси

dT - разница температур

ПДВ=ПДК*H^2*(V*dT)^3/2/(A*F*m*n)

Максимальная концентрация вещества вблизи земной поверхности при неблагоприятных метеоусловиях на расстоянии Xm от источника = k*h (k~20)

Очистка выбросов от пыли и газов т.к. выбросы имеют различные агрегатные состояния, различную температуру, влажность и дисперсность (расклад частиц пыли по размерам)

Параметры, характеризующие очистку:

- тонкость очистки

определяется размерами частиц

Диаметр d мкм | Тонкость

>50 | грубая

10-50 | средняя

<10 | тонкая

- степень очистки

если на пути выброса 1 аппарат

n=(Cвх-Свых)/Свх

если цепь аппаратов

n=1-(1-n1)(1-n2)...(1-nn)

- коэффициент проскока вещества через аппарат

K=Свых/Свх

K=1-n

Аппараты очистки воздуха от пыли

- Сухая очистка:

Гравитационные

пример - пылеосадительная камера)

1 – корпус, I - запыленный газ, II -очищенный газ, III - пыль, которую удаляют из бункера 2, откучивая штуцер

Центробежные аппараты (под действием центробежой силы)

Это аппарат грубой и низкой очистки (частицы > 50 мкм, 40-50% очистка). Используют в качестве первой ступени очистки

Инерционные

<рис выше>

4 - инерционный пылеуловитель (перегородки, жалюзи)

Газ остужает со скоростью 5-15 м/с. Более высокая степень очистки по сравнению с гравитационной.

Циклонный

Запыленный газ поступает в верхнюю часть корпуса через входной патрубок, приваренный тангенциально. Улавливание пыли происходит под действием центробежной силы, возникающей при движении газа между корпусом и выхлопной трубой. Частички пыли отбрасываются центробежной силой к стенкам аппарата, затем они ссыпаются в бункер, а очищенный газ выбрасывается вверх в атмосферу через выхлопную трубу.

Обычно устанавливают группу циклонов, объединяя по 2-4 аппарата, что повышает эффективность очистки. В промышленности принято разделять циклоны на высокоэффективные и высокопроизводительные. Эффективные требуют больших затрат на очистку, вторы плохо улавливают мелкие частицы. Циклоны используют в угольной промышленности, цементной, химической промышленности. Но их нельзя использовать для очистки взрывоопасных сред и влажных сред. Циклоны отличаются высокой степенью очистки.

- Мокрая очистка от пыли

Работают по принципу осаждения частиц пыли на поверхности либо капель жидкости либо пленки жидкости. Поэтому, для высокой эффективности очистки мокрым аппаратом важным фактором является смачиваемость частиц пыли жидкостью. По принципу работы аппараты мокрой очистки подразделяются:

- полые и насадочные аппараты

Запыленный газ пропускают через поток разбрызгиваемой или стекающей жидкости и частички пыли захватываются потоком жидкости.

- барбатажные и пенные аппараты

Газ пропускается через бурлящую пену жидкости. Т.е. увеличивается поверхность соприкосновения пыли с жидкостью.

- аппараты ударно-инерционного типа

Очистка основана на резком изменении направления газового потока над поверхностью жидкости.

- турбулентные промыватели

Скруббер Вентури (очистка 99,9%, размер 1 мкм)

1 – конфузор, 2 – горловина, 3 - отверстие для ввода жидкости, 4 – диффузор, 5 – сепаратор, 6 - отстойник (шлам), 7 – насос, Запыленный газ через конфузор 1 попадает в горловину 2. Через отверстие 3 под избыточным давлением в горловину вводят жидкость, которая, сталкиваясь с газовым потоком, распадается на маленькие капли. Эти капли вместе с газом попадают в диффузор 4, где скорость потока падает. Капли жидкости, сверху покрытые пылью укрупняются и все это хозяйство попадает в сепаратор 5. В сепараторе капли под действием центробежной силы отделяются от газа. Очищенный газ уходит в атмосферу. А грязь, содержащая жидкость и пыль (шлам), стекает постепенно в отстойник 6. В отстойнике вода отделяется от шлама и может быть неоднократно использованной, когда ее подают насосом в горловину.

Достоинства: эффективность, тонкость. Возможность очистки взрывоопасных и влажных сред, агрессивных сред. Недостатки: необходимость утилизации шлама, необходимо для всего устройства проводить антикоррозионную обработку.

- Пористые фильтры

Очистка от пыли основана на способности материалов адерживать в порах частички пыли. Фильтры:

1) зернистые

В качестве фильтрующего материала используют песок, гальку, шлаки, древесные опилки и вообще все что доступно и дешево. Могут быть с неподвижным фильтрующим веществом (насыпные фильтры) либо с движущейся фильтрующей средой.

2) тканевые рукавные

Тканевые рукава, которые соединяются кольцом, и это кольцо наворачивается на источник пыли. Используются стойкие к истираниям, высокой температуре ткани. Должны иметь минимальное влгопоглощение. Регенируют фильтры путем стряхивания.

Недостаток в необходимости частой регенерации. Достоинства - дешевизна, простота в использовании.

- Электрофильтры

Емкость, где имеется 2 разновидности электродов: коронирующий и осадительный. сначала получают заряд от ионов газа, которые образуются в электрическом поле высокого напряжения, а затем частички пыли движутся к осадительному электроду, а очищенный газ выходит в атмосферу. Это аппарат высокой, тонкой очистки. Недостаток - необходимость частой регенерации путем встряхивания.

- туманоулавливатели

Очищают воздух от щелочей, кислот, масел. Используют волокнистые фильтры, принцип действия которых основан на осаждении капель на поверхности пор с последующим стеканием жидкости под действием силы тяжести. Волокнистые слои фомируются набивкой стекловолокон или полимерных волокон типа лавсана в корпус туманоулавливателя.

Аппараты и методы для очистки газа от газообразных соединений.