8. Як запасається сонячна енергія в біосфері?

9. Що таке екологічні піраміди і чому вони мають лише 4-5 трофічних рівнів?

10. Як витрачається енергія спожитої їжі в організмі рослин і тварин?

11. Назвіть структуру популяцій. Що таке популяційний вибух і чим обумовлена його поява?

12. Наведіть приклади впливу екологічних чинників середовища на популяцію.

13. Що таке екосистема ті біогеоценоз? Назвіть їх компоненти.

14. Назвіть основні типи взаємовідносин між організмами в екосистемі.

15. Чому стійкість екосистеми залежить від кількості видів, що їх населяють? Які заходи вживають з метою збереження розмаїття рослинного і тваринного світу?

16. Що таке біологічна продуктивність? Чим забезпечується життєздатність видів та екосистем?

17. Як запасається сонячна енергія в біосфері?

18. Назвіть шляхи використання води людиною.

19. Чому перед заморозками рослини поливають?

20. Їжак і кріт - комахоїдні тварини, але чому їжак впадає у сплячку, а кріт - ні?

21. Чому черв’як конволіта, який водиться у Середземному морі і не має органів травлення, але під шкірою в нього живуть одноклітинні водорості, під час відпливів виповзає на берег на сонце?

ЛЕКЦІЯ 4

ТЕХНОСФЕРА

4.1. Загальні поняття

Техносфера - це частина біосфери, трансформована під впливом техногенної діяльності людини. Техносфера, докорінно перетворена людиною на техногенні об’єкти: від будинків, шляхів, аеродромів до свердловин, шахт, космодромів тощо, почала формуватись у XVIII - XIX ст., а на кінець ХХ ст. стала чинником планетарного масштабу. Найпотужнішим серед екологічних чинників, які визначають умови існування екосистем і біосфери в цілому, виявився комплекс антропогенних чинників - сума негативних впливів на довкілля всіх видів людської діяльності. В результаті величезного тиску на біосферу і активного розширення техносфера стала перетворюватися на монстра, який почав знищувати цивілізацію. Виникла необхідність детального вивчення різноманітних забруднень, пов’язаних з людською діяльністю (з розвитком енергетики, промисловості, транспорту, сільського господарства, військової, космічної діяльності), їх класифікації та нейтралізації, пошуків шляхів екологізації виробництв. Виникла значна кількість нових екологічних напрямів прикладного характеру, які об’єднались у великий блок, що називається техноекологія (див. рис.1.1 в лекції 1).

Розвиток техносфери, що супроводжувався необмеженим використанням природних ресурсів і вільним викидом всіх типів відходів людської діяльності в навколишнє середовище, став причиною виникнення таких глобальних проблем: енергетичної кризи, надмірного забруднення довкілля, скорочення лісів і орних земель, появи негативних кліматичних змін, соціально-економічних криз. З урахуванням неконтрольованого приросту населення (250 тис. чоловік щодня, близько 90 млн. чоловік щороку), що різко загострює соціально-екологічні і соціально-економічні проблеми, особливо в країнах, що розвиваються, відбувається скорочення орних земель, а це загрожує виникненням ще однієї глобальної проблеми - голоду сотень мільйонів людей. Проблема голоду вважається вирішеною, якщо в рік на 1 людину збирати з 1 га 1 тону зерна. Але наприкінці ХХ ст. на планеті з чисельністю населення 5 млрд. збирали ~ 1,5 млн. т зерна, тобто Земля вже не в змозі нагодувати людство. Якщо всю сумарну продукцію біосфери поділити на таку кількість населення, щоб не порушувати її стійкості, то вийде, що в біосфері може існувати не більше 4 - 5 млрд. чоловік. За даними ФАО (продовольча і сільськогосподарська організації ООН), нині в світі недоїдає й голодує ~ 1,5 млрд чоловік, хоча, за прогнозами у 2010 р. кількість людей на Землі перевищить 7 млрд при тому ж рівні харчових продуктів, а до 2100 р. має стабілізуватися на рівні 9-13 млрд. чоловік (рис.4.1). До того ж за висновками експертів, некероване зростання населення є головною причиною зростання глобальної економічної кризи, яка спричинила решту криз (виснаження ресурсів, забруднення геосфер, негативні кліматичні зміни тощо), призвела до загрозливих існуванню біосфери техногенних навантажень.

Надмірне виснаження ресурсів і забруднення довкілля спричинили розвиток кількох негативних процесів глобального масштабу - утворення і розростання озонових дір, формування парникового ефекту, появу кислотних дощів. Розвиток вищезгаданих процесів призвів до критичного загострення конфлікту між техносферою і біосферою, про що свідчать сучасний занепад людської моралі, зростання бідності і злочинності, підвищення агресивності людей, поширення нових небезпечних вірусних хвороб (СНІД, пропасниця Ебола, нові різновиди грипу), почастішання епідемій різних захворювань, спалахування воєн, виникнення природних і техногенних катастроф.

■ - Штриховою лінією показано варіант прогнозів чисельності на перспективу до ХХІІ ст., у якому очікується стабілізація і деяке зниження чисельності населення (М.Реймерс, 1990)

Рис.4.1. Зростання чисельності людства від світанку цивілізації

4.2. Техногенний вплив на атмосферу

Найбільший вплив на стан атмосфери чинять теплотехніка, металургійна промисловість, підприємства хімічної та будівельної індустрії, автотранспорт та ін.(табл. 4.1). На рис. 4.2. показано джерела викидів оксиду вуглецю і оксидів азоту у Великобританії

Рис.4.2. Розподіл джерел викидів СО (а) і No_x в 1980 р. у Великобританії

Таблиця 4.1

Внесок різних галузей промисловості в забруднення атмосфери

4.2.1. Підприємства енергетичного комплексу

Одним з найпотужніших негативних техногенних чинників є енергетика. Рівень і вартість енергетики визначають технологічний рівень країни. Промислова революція почалася відтоді, як людство навчилося використовувати енергію вугілля, нафти та газу, а науково-технічний прогрес і стрімке економічне зростання цивілізації останні 100 років супроводжувалися надзвичайно швидким споживанням енергії, близько 95% якої виробляється за рахунок спалювання цих органічних добрив. В останній час широкого розповсюдження набирають так звані альтернативні джерела енергії: енергія Сонця, урану, вітру. При спалюванні палива на ТЕС утворюються тверді (шлак, зола), рідкі (стічні води) та газоподібні відходи; а в атмосферу попадають SO₂, оксиди азоту (табл. 4.2). Їх якості та співвідношення в димових викидах залежіть від типу та якості палива. Наприклад, при спалюванні вугілля запиленість димових газів ТЕС становить 10-50 г/м³, мазуту - 20-50 г/м³.

Таблиця 4.2

Показники забруднення атмосфери ТЕС, г/кВтгод

Виробництво електроенергії в Україні забезпечують на 46,9% АЕС, на 11,2% - ГЕС, на 39,1 - ТЕС.

Таблиця 4.3

Структура енергетичних ресурсів у виробництві електроенергії і теплоти електростанціями України

4.2.2. Підприємства чорної металургії

При виплавлянні 1 т чавуну виділяється: 4,5 кг пилу; 2,7 кг SO₂; 0,1-0,6 окису марганцю; сполуки Р, Рb, інших металів. Найбільші забруднювачі, що утворюються при виробництві сталі і чавуну - пил різної хімічної природі та окис сірки. Внаслідок збільшення концентрації пилу в атмосферному повітрі від 0,30 до 1,65 мг/м³ питомі збитки здоров’ю населення зростають від 35 до 124 грн.; комунальному господарству - від 10 до 115 грн.; сільському і лісовому господарству - від 10 до 159 грн. Аналогічні збитки й від збільшення концентрацій інших шкідливих забруднювачів. Слід враховувати й те, що під час видобування заліза та інших металів з руд витрачаються величезні обсяги кисню, як окисника. Так, для одержання 1 т Fe₂O₃, необхідної для виробництва чавуну,(при виході 100%, чого ніколи не буває) потрібно витратити 5,2 т повітря і 1,1 т кисню.

4.2.3. Хімічна і нафтохімічна промисловість. Промисловість будівельних матеріалів. Целюлозно-паперова промисловість

Порівняно з електроенергетикою особливістю цих галузей народного господарства є менша кількість викидів і велика різноманітність сполук. Найбільше газоподібних забруднювачів надходить в повітря під час добування пластмас, гуми, добрив, неорганічних кислот (хімічна і нафтохімічна промисловість); оксиди сірки, гідрогеносульфур, хлор - забруднювачі в целюлозно-паперовій промисловості. При виробництві будівельних матеріалів та будівельних конструкцій на їх основі найбільша частка серед забруднювачів належить пиловим часточкам різного гранулометричного складу, які осідають на листя дерев, потрапляють на землю, будівлі і легені людини. Оскільки цей пил може мати різну хімічну природу, адсорбувати на собі інші речовини, його небезпечність ще збільшується. У газових викидах при виробництві будівельних матеріалів містяться оксиди вуглецю, азоту, сірки, різні органічні сполуки.

4.2.4. Транспорт

Чисельність автомобілів у світі перевищує 400 млн. одиниць (80% - легкові, 15-17% - вантажні автомобілі та автобуси). За підрахунками, в автомобільних двигунах внутрішнього згоряння щороку спалюється близько 2 млрд. т нафтового палива, а якщо врахувати, що коефіцієнт корисної дії двигуна не перевищує 23%, то решта палива витрачається не лише на обігрівання, а й на забруднення довкілля. Автомобілі забруднюють атмосферу відпрацьованими газами та вуглеводами з бака, карбюратора та трубопроводів через випаровування та протікання. Викиди автотранспорту містять до 200 хімічних сполук, деякі з яких надзвичайно токсичні (СО, SO₂, сполуки Pb, бензопірен). При спалюванні 1000 л палива карбюраторний двигун викидає 200 кг СО, 25 кг вуглеводнів, 20 кг оксидів азоту, 1 кг SO₂, 1 кг сажі. До того ж у двигунах внутрішнього згоряння на спалювання 1 т бензину витрачається ~15 т повітря або 2000 л кисню, що в 2,5 рази перевищує його добове споживання людиною. Отже, питання створення екологічно чистого транспорту стоїть дуже гостро, і пошуки шляхів для зменшення негативного впливу транспорту на довкілля ведуться постійно: встановлюється обмеження швидкості автотранспорту в містах 60 км/год , за якої кількість вихлопних газів найменша; проектуються об’їзні шляхи для транзитного транспорту; створюються дорожні розв’язки з метою зменшення кількості зупинок перед світлофорами, коли різко зростає викид газів; розширюється мережі електротранспорту й метрополітену; переведення автотранспорту на екологічно чисте пальне чи природний газ; створення автомобілів, у яких джерелом енергії будуть водень та електроенергія тощо.

4.2.5. Зміни в атмосфері, зумовлені її забрудненням

 Глобальне потеплення клімату (парниковий ефект)

Це явище уперше помітив у 1896 р. шведський хімік С.Арреніус. Причиною потепління є збільшення в атмосфері концентрації парникових газів: СО₂ (основні джерела - ТЕС, сміттєспалювальні заводи, металургійні комбінати; ґрунти, дихання всіх живих організмів); метану (основні джерела: болота, рисові поля, шахти, транспорт, нафтохімічна та нафтовидобувна промисловість); озону (утворюється під час грози, під час зварювання металів тощо); пари води. Деякі вчені дотримуються думки, що потепління - циклічне явище і зумовлене переважно зміною сонячної активності, однією з причин вважали і теплу течію “Ель-Ніньо”.

За прогнозами вчених до середини ХХІ ст. температура приземної атмосфери може піднятися на 1,5-4,5⁰С, що зумовить підняття Світового океану за рахунок теплового розширення води і затоплення прибережних зон; танення льодовиків; зміщення кліматичних зон (тайга і тундра стануть зонами землеробства).

 Руйнування озонової оболонки Землі

Озонова оболонка, розміщена на висоті 20-30 км, захищає життя на планеті від жорсткого ультрафіолетового випромінювання (<320 нм). Основними руйнівниками озону вважають:

оксиди азоту, джерелами яких є випробування ядерної зброї (за високих температур в атмосфері азот взаємодіє з киснем з утворенням NO, який легко окислюється до NO₂), запуски ракет і космічних кораблів, реактивні літаки, хімічні підприємства з виробництва та використання азотної кислоти;

фреони - інертні речовини типу CF₂Cl₂ , CFCl₃ тощо, які у верхніх шарах атмосфери відщеплюють атом галогену, що руйнує молекули озону і перешкоджає їх утворенню (фреони широко застосовують у холодильній техніці, як мастило, в парфумерії - як засіб для створення аерозолю). З метою збереження озонової оболонки розвинені країни в 1996 р. припинили виробництво фреонів, замінивши їх пропан-бутановою сумішшю;

пару води, яка потрапляє до озонової оболонки з викидами ракет, літаків, утворюючись під час згоряння палива.

 Кислотні дощі

Цей термін вперше ввів у вжиток англійський інженер Р.Смітт у книзі “Повітря і дощі: початок хімічної кліматології”. “Кислотними дощами” називають атмосферні опади, які мають рН<5,5. Основними їх чинниками є оксиди азоту і сірки, а також пара кислот. Їх природними джерелами є вулканічні виверження, пожежі, діяльність ґрунтових бактерій; антропогенними - транспорт, ТЕС, сміттєспалювальні заводи, металургійні комбінати, хімічні підприємства (виробництво азотної та сірчаної кислот, їх використання у виробництві добрив та органічному синтезі). Рекордно кислий дощ (рН1,7) випав у 1979 р. в США. Які наслідки випадання кислотних дощів? Це - зниження рН поверхневих вод і грунтів та посилення міграції важких металів; опіки і зниження фотосинтезу у рослин; корозія металевих виробів; руйнування будівель з вапняку та архітектурних пам’яток; деградація лісів; зміна активності ферментів у яйцеклітинах та ікрі, що може призвести до масової загибелі молоднику риб.

 Смоги

Смоги (англ. smoke - дим, fog - дим) - явище, характерне для певних місць за певних метеорологічних умов і забруднення повітря. За походженням смоги поділяють на три типи: лондонський (чорний смог), лос-анджелеський (білий смог) та льодяний смог. Відповідно і причини виникнення смогів в різних місцях - різні. Так, лондонський смог спричиняють низька температура (близько 0⁰С), вологість до 100%, підвищений вміст сажі, оксидів вуглецю, азоту, сірки, що утворюються при спалюванні палива. У 1952 р. такий смог забрав життя 4 тисяч жителів Лондона.

Лос-анджелеський (білий) смог почав з’являтися над цим містом у 30-ті роки ХХ ст.; він виникає під дією сонячного світла на вуглеводи і виявляється у вигляді білого туману з неприємним запахом, що подразнює очі, слизові оболонки, органи дихання; формується за умов високої температури (понад 30⁰С), відсутності переміщування шарів повітря у вертикальному напрямі, значної концентрації викидів автотранспорту. В України спостерігається в Дніпропетровську, Запоріжжі, Донецьку і навіть курортній Ялті.