В буквальном переводе термин “биосфера” обозначет сферу жизни и в таком смысле он впервые был введен в науку в 1875 г. австрийским геологом и палеонтологом Эдуардом Зюссом (1831 – 1914). Однако задолго до этого под другими названиями, в частности "пространство жизни", "картина природы", "живая оболочка Земли" и т.п., его содержание рассматривалось многими другими естествоиспытателями.
Первоначально под всеми этими терминами подразумевалась только совокупность живых организмов, обитающих на нашей планете, хотя иногда и указывалась их связь с географическими, геологическими и космическими процессами, но при этом скорее обращалось внимание на зависимость живой природы от сил и веществ неорганической природы. Даже автор самого термина "биосфера" Э.Зюсс в своей книге "Лик Земли", опубликованной спустя почти тридцать лет после введения термина (1909 г.), не замечал обратного воздействия биосферы и определял ее как "совокупность организмов, ограниченную в пространстве и во времени и обитаюшую на поверхности Земли".
Первым из биологов, который ясно указал на огромную роль живых организмов в образовании земной коры, был Ж.Б.Ламарк (1744 – 1829). Он подчеркивал, что все вещества, находящиеся на поверхности земного шара и образующие его кору, сформировались благодаря деятельности живых организмов.
Факты и положения о биосфере накапливались постепенно в связи с развитием ботаники, почвоведения, географии растений и других преимущественно биологических наук, а также геологических дисциплин. Те элементы знания, которые стали необходимыми для понимания биосферы в целом, оказались связанными с возникновением экологии, науки, которая изучает взаимоотношения организмов и окружающей среды. Биосфера является определенной природной системой, а ее существование в первую очередь выражается в круговороте энергии и веществ при участии живых организмов.
Очень важным для понимания биосферы было установление немецким физиологом Пфефером (1845 – 1920) трех способов питания живых организмов:
автотрофное – построение организма за счет использования веществ неорганической природы;
гетеротрофное – строение организма за счет использования низкомолекулярных органических соединений;
миксотрофное – смешанный тип построения организма (автотрофно-гетеротрофный).
Биосфера (в современном понимании) – своеобразная оболочка Земли, содержащая всю совокупность живых организмов и ту часть вещества планеты, которая находится в непрерывном обмене с этими организмами.
Биосфера охватывает нижнюю часть атмосферы, гидросферу и верхнюю часть литосферы.
• Атмосфера – наиболее легкая оболочка Земли, которая граничит с космическим пространством; через атмосферу осуществляется обмен вещества и энергии с космосом.
Атмосфера имеет несколько слоев:
тропосфера – нижний слой, примыкающий к поверхности Земли (высота 9–17 км). В нем состредоточено около 80% газового состава атмосферы и весь водяной пар;
стратосфера;
ноносфера – там “живое вещество” отсутствует.
Преобладающие элементы химического состава атмосферы: N2 (78%), O2 (21%), CO2 (0,03%).
• Гидросфера – водная оболочка Земли. В следствие высокой подвижности вода проникает повсеместно в различные природные образования, даже наиболее чистые атмосферные воды содержат от 10 до 50 мгр/л растворимых веществ.
Преобладающие элементы химического состава гидросферы: Na+, Mg2+, Ca2+, Cl–, S, C. Концентрация того или иного элемента в воде еще ничего не говорит о том, насколько он важен для растительных и животных организмов, обитающих в ней. В этом отношении ведущая роль принадлежит N, P, Si, которые усваиваются живыми организмами. Главной особенностью океанической воды является то, что основные ионы характеризуются постоянным соотношением во всем объеме мирового океана.
• Литосфера – внешняя твердая оболочка Земли, состоящая из осадочных и магматических пород. В настоящее время земной корой принято считать верхний слой твердого тела планеты, расположенный выше сейсмической границы Мохоровичича. Поверхностный слой литосферы, в котором осуществляется взаимодействие живой материи с минеральной (неорганической), представляет собой почву. Остатки организмов после разложения переходят в гумус (плодородную часть почвы). Составными частями почвы служат минералы, органические вещества, живые организмы, вода, газы.
Преобладающие элементы химического состава литосферы: O, Si, Al, Fe, Ca, Mg, Na, K.
Ведущую роль выполняет кислород, на долю которого приходится половина массы земной коры и 92% ее объема, однако кислород прочно связан с другими элементами в главных породообразующих минералах. Т.о. в количественном отношении земная кора – это “царство” кислорода, химически связанного в ходе геологического развития земной коры.
Постепенно идея о тесной взаимосвязи между живой и неживой природой, об обратном воздействии живых организмов и их систем на окружающие их физические, химические и геологические факторы все настойчивее проникала в сознание ученых и находила реализацию в их конкретных исследованиях. Этому способствовали и перемены, произошедшие в общем подходе естествоиспытателей к изучению природы. Они все больше убеждались в том, что обособленное исследование явлений и процессов природы с позиций отдельных научных дисциплин оказывается неадекватным. Поэтому на рубеже ХIХ – ХХ вв. в науку все шире проникают идеи холистического, или целостного, подхода к изучению природы, которые в наше время сформировались в системный метод ее изучения.
Результаты такого подхода незамедлительно сказались при исследовании общих проблем воздействия биотических, или живых, факторов на абиотические, или физические, условия. Так, оказалось, например, что состав морской воды во многом определяется активностью морских организмов. Растения, живущие на песчаной почве, значительно изменяют ее структуру. Живые организмы контролируют даже состав нашей атмосферы. Число подобных примеров легко увеличить, и все они свидетельствуют о наличии обратной связи между живой и неживой природой, в результате которой живое вещество в значительной мере меняет лик нашей Земли. Таким образом, биосферу нельзя рассматривать в отрыве от неживой природы, от которой она, с одной стороны зависит, а с другой – сама воздействует на нее. Поэтому перед естествоиспытателями возникает задача – конкретно исследовать, каким образом и в какой мере живое вещество влияет на физико-химические и геологические процессы, происходящие на поверхности Земли и в земной коре. Только подобный подход может дать ясное и глубокое представление о концепции биосферы. Такую задачу как раз и поставил перед собой выдающийся российский ученый Владимир Иванович Вернадский (1863 – 1945).
понедельник, 30 июля 2012 г.
В.И.Вернадский о биосфере и “живом веществе”.
Центральным в этой концепции является понятие о живом веществе, которое В.И.Вернадский определяет как совокупность живых организмов. Кроме растений и животных, В.И.Вернадский включает сюда и человечество, влияние которого на геохимические процессы отличается от воздействия остальных живых существ, во-первых, своей интенсивностью, увеличивающейся с ходом геологического времени; во-вторых, тем воздействием, какое деятельность людей оказывает на остальное живое вещество.
Это воздействие сказывается прежде всего в создании многочисленных новых видов культурных растений и домашних животных. Такие виды не существовали раньше и без помощи человека либо погибают, либо превращаются в дикие породы. Поэтому Вернадский рассматривает геохимическую работу живого вещества в неразрывной связи животного, растительного царства и культурного человечества как работу единого целого.
По мнению В.И.Вернадского, в прошлом не придавали значения двум важным факторам, которые характеризуют живые тела и продукты их жизнедеятельности:
открытию Пастера о преобладании оптически активных соединений, связанных с дисимметричностью пространственной структуры молекул, как отличительной особенности живых тел;
явно недооценивался вклад живых организмов в энергетику биосферы и их влияние на неживые тела. Ведь в состав биосферы входит не только живое вещество, но и разнообразные неживые тела, которые В.И.Вернадский называет косными (атмосфера, горные породы, минералы и т. д.), а также и биокосные тела, образованные из разнородных живых и косных тел (почвы, поверхностные воды и т. п.). Хотя живое вещество по объему и весу составляет незначительную часть биосферы, но оно играет основную роль в геологических процессах, связанных с изменением облика нашей планеты.
Поскольку живое вещество является определяющим компонентом биосферы, постольку можно утверждать, что оно может существовать и развиваться только в рамках целостной системы биосферы. Не случайно поэтому В.И.Вернадский считает, что живые организмы являются функцией биосферы и теснейшим образом материально и энергетически с ней связаны, являются огромной геологической силой, ее определяющей.
Исходной основой существования биосферы и происходящих в ней биогеохимических процессов является астрономическое положение нашей планеты и в первую очередь ее расстояние от Солнца и наклон земной оси к эклиптике, или к плоскости земной орбиты. Это пространственное расположение Земли определяет в основном климат на планете, а последний в свою очередь – жизненные циклы всех существующих на ней организмов. Солнце является основным источником энергии биосферы и регулятором всех геологических, химических и биологических процессов на нашей планете. Эту ее роль образно выразил один из авторов закона сохранения и превращения энергии Юлиус Майер (1814 – 1878), отметивший, что жизнь есть создание солнечного луча.
Решающее отличие живого вещества от косного заключается в следующем:
изменения и процессы в живом веществе происходят значительно быстрее, чем в косных телах. Поэтому для характеристики изменений в живом веществе используется понятие исторического, а в косных телах – геологического времени. Для сравнения отметим, что секунда геологического времени соответствует примерно ста тысячам лет исторического;
в ходе геологического времени возрастают мощь живого вещества и его воздействие на косное вещество биосферы. Это воздействие, указывает В.И. Вернадский, проявляется прежде всего "в непрерывном биогенном токе атомов из живого вещества в косное вещество биосферы и обратно";
только в живом веществе происходят качественные изменения организмов в ходе геологического времени. Процесс и механизмы этих изменений впервые нашли объяснение в теории происхождения видов путем естественного отбора Ч.Дарвина (1859 г.);
живые организмы изменяются в зависимости от изменения окружающей среды, адаптируются к ней и, согласно теории Дарвина, именно постепенное накопление таких изменений служит источником эволюции.
В.И.Вернадский высказывает предположение, что живое вещество, возможно, имеет и свой процесс эволюции, проявляющийся в изменении с ходом геологического времени, вне зависимости от изменения среды.
Для подтверждения своей мысли он ссылается на непрерывный рост центральной нервной системы животных и ее значение в биосфере, а также на особую организованность самой биосферы. По его мнению, в упрощенной модели эту организованность можно выразить так, что ни одна из точек биосферы "не попадает в то же место, в ту же точку биосферы, в какой когда-нибудь была раньше” . В современных терминах это явление можно описать как необратимость изменений, которые присущи любому процессу эволюции и развития.
Непрерывный процесс эволюции, сопровождающийся появлением новых видов организмов, оказывает воздействие на всю биосферу в целом, в том числе и на природные биокосные тела, например, почвы, наземные и подземные воды и т. д. Это подтверждается тем, что почвы и реки девона совсем другие, чем третичной и тем более нашей эпохи. Таким образом, эволюция видов постепенно распространяется и переходит на всю биосферу.
Поскольку эволюция и возникновение новых видов предполагают существование своего начала, постольку закономерно возникает вопрос: а есть ли такое начало у жизни? Если есть, то где его искать – на Земле или в Космосе? Может ли возникнуть живое из неживого?
Над этими вопросами на протяжении столетий задумывались многие религиозные деятели, представители искусства, философы и ученые. В.И.Вернадский подробно рассматривает наиболее интересные точки зрения, которые выдвигались выдающимися мыслителями разных эпох, и приходит к выводу, что никакого убедительного ответа на эти вопросы пока не существует. Сам он как ученый вначале придерживался эмпирического подхода к решению указанных вопросов, когда утверждал, что многочисленные попытки обнаружить в древних геологических слоях Земли следы присутствия каких-либо переходных форм жизни не увенчались успехом. Во всяком случае некоторые останки жизни были обнаружены даже в докембрийских слоях, насчитывающих 600 миллионов лет. Эти отрицательные результаты, по мнению В.И.Вернадского, дают возможность высказать предположение, что жизнь как материя и энергия существует во Вселенной вечно и поэтому не имеет своего начала. Но такое предположение есть не больше, чем эмпирическое обобщение, основанное на том, что следы живого вещества до сих пор не обнаружены в земных слоях. Чтобы стать научной гипотезой, оно должно быть согласовано с другими результатами научного познания, в том числе и с более широкими концепциями естествознания и философии. Во всяком случае нельзя не считаться со взглядами тех натуралистов и философов, которые защищали тезис о возникновении живой материи из неживой, а в настоящее время даже выдвигают достаточно обоснованные гипотезы и модели происхождения жизни.
Предположения относительно абиогенного, или неорганического, происхождении жизни делались неоднократно еще в античную эпоху, например, Аристотелем, который допускал возможность возникновения мелких организмов из неорганического вещества. С возникновением экспериментального естествознания и появлением таких наук, как геология, палеонтология и биология, такая точка зрения подверглась критике как не обоснованная эмпирическими фактами. Еще во второй половине XVII в. широкое распространение получил принцип, провозглашенный известным флорентийским врачом и натуралистом Ф.Реди, что все живое возникает из живого. Утверждению этого принципа содействовали исследования знаменитого английского физиолога Уильяма Гарвея (1578 – 1657), который считал, что всякое животное происходит из яйца, хотя он и допускал возможность возникновения жизни абиогенным путем.
В дальнейшем, по мере проникновения физико-химических методов в биологические исследования снова и все настойчивее стали выдвигаться гипотезы об абиогенном происхождении жизни. Выше мы уже говорили о химической эволюции как предпосылке возникновения предбиотической, или предбиологической, стадии возникновения жизни. С указанными результатами не мог не считаться В.И. Вернадский, и поэтому его взгляды по этим вопросам не оставались неизменными, но, опираясь на почву точно установленных фактов, он не допускал ни божественного вмешательства, ни земного происхождения жизни. Он перенес возникновение жизни за пределы Земли, а также допускал возможность ее появлении в биосфере при определенных условиях. Он писал: “Принцип Реди... не указывает на невозможность абиогенеза вне биосферы или при установлении наличия в биосфере (теперь или раньше) физико-химических явлений, не принятых при научном определении этой формы организованности земной оболочки.”
Несмотря на некоторые противоречия, учение Вернадского о биосфере представляет собой новый крупный шаг в понимании не только живой природы, но и ее неразрывной связи с исторической деятельностью человечества.
Биогенная миграция химических элементов и биогеохимические принципы.
По Вернадскому, работа живого вещества в биосфере может проявляться в двух основных формах:
химической (биохимической) – I род геологической деятельности;
механической – II род такой деятельности.
Геологическая деятельность I рода – построение тела организмов и переваривание пищи, – конечно, является более значительной. Классическим стало функциональное определение жизни, данное Фридрихом Энгельсом: “жизнь есть способ существования белковых тел, существенным моментом которого является постоянный обмен веществ с окружающей их внешней природой, причем с прекращением этого обмена веществ прокращается и жизнь” .
Сейчас появилась возможность вычислить скорость этого обмена. Так, по данным Л.Н.Тюрюканова, в пшенице, например, полная смена атомов происходит для фосфора за 15 суток, а для кальция – в 10 раз быстрее: за 1,5 суток! Собственно говоря, постоянный обмен веществ между живым организмом и внешней средой и обусловливает проявление большинства функций живого вещества в биосфере, которые мы рассмотрим и этой части книги. По подсчетам биолога П.Б.Гофмана-Кадошникова, в течение жизни человека через его тело проходит 75 т воды, 17 т углеродов, 2,5 т белков, 1,3 т жиров. Между тем по геохимическому эффекту своей физиологической деятельности человек отнюдь не самый важный вид разнородного живого вещества биосферы. Геохимический эффект физиологической деятельности организмов обратно пропорционален их размерам, и наиболее значимой оказывается деятельность прокариотов – бактерий и цианобактерий.
Большое значение имеет также количество пропускаемого через организм вещества. В этом отношении максимальный геохимический эффект на суше имеют грунтоеды, а в океане – илоеды и фильтраторы. Еще Чарлз Дарвин подсчитал, что слой экскрементов, выделяемых дождевыми червями на плодородных почвах Англии, составляет около 5 мм в год! Таким образом, почвенный пласт мощностью в 1 м дождевые черви полностью пропускют через свой кишечник за 200 лет. В океане с дождевыми червями по “пропускной способности” могут конкурировать их близкие родственники, представители того же типа кольчатых червей – полихеты, а также ракообразные. Достаточно 40 экземпляров полихет на 1 м2, чтобы поверхностный слой донных осадков мощностью в 20 – 30 см ежегодно проходил через их кишечник. Субстрат при этом существенно обогащается кальцием, железом, магнием, калием и фосфором по сравнению с исходными илами.
Копролиты (ископаемые остатки экскрементов) известны в геологических отложениях, начиная с ордовика, однако бесспорно, что большинство их при геологических описаниях не учитывается. Происходит это из-за слабой изученности вопроса и из-за отсутствия диагностических признаков для определения копролитов.
Между тем в донных отложенияк современных водоемов фекальные комочки беспозвоночных распространены очень широко и нередко являются основной частью осадка. В южной Атлантике, например, илы почти нацело слагаются фекалиями планктонных ракообразных, а по берегам Северного моря донные осадки, образованные фекалиями мидий, имеют мощность до 8 м.
Биогенная миграция атомов II рода – механическая – отчетливо проявляется в наземных экосистемах с хорошо развитым почвенным покровом, позволяющим животным создавать глубокие укрытия (гнездовые камеры термитов, например, расположены на глубине 2 – 4 м от поверхности). Благодаря выбросам землероев, в верхние слои почвы попадают первичные невыветрившиеся минералы, которые, разлагаясь, вовлекаются в биологический круговорот. Недаром известный геолог Г.Ф.Мирчинк (1889 – 1942) называл сурка-тарбагана “лучшим геологом Забайкалья” – его норы окружены “коллекциями” горных пород, добытых с глубины нескольких метров!
Понятие “нора” и “гнездо” обычно ассоциируются у нас с грызунами и птицами. Между тем биогенная миграция атомов II рода распространена не только в наземных, но и в морских экосистемах, и здесь ее роль, может быть, еще более значительна. И на дне моря организмы строят себе укрытия, причем не только в мягком, но и в скальном грунте. Олигохеты и полихеты углубляются в грунт на 40 см и более. Двустворчатые моллюски зарываются обычно неглубоко, но некоторые из них – солениды и миа – роют норы, которым позавидует и сурок: они достигают глубины нескольких метров. В зоне прибоя и на перемываемом волнами песке – вот беда! – норы не выроешь и гнездо не совьешь. Приходится сверлить скальные породы. И сверлят. Сверлят водоросли и губки, бактерии и моллюски, полихеты, морские ежи, рачки...
Сверлильщики появились в далеком геологическом прошлом. Источенные ими породы находят даже в докембрийских отложениях; и поныне они продолжают свою разрушительную работу. Сверлящая деятельность моллюсков фолад вызывает иногда катастрофические последствия . Когда в районе Сочи в результате непродуманного строительства берег обнажился от гальки, он начал отступать со скоростью до 4 м в год. Главным виновником разрушения были фолады, которые заселили каждый метр скального берега, сложенного глинистыми сланцами, и принялись дружно сверлить себе подводные норки. К счастью, был найден выход: берег стали укреплять поперечными стенками, а между ними засыпать гальку. В результате сверлильщики были уничтожены, движущаяся под ударами волн галька перемолола их. А в Западной Европе не менее опасную деятельность проводит случайно завезенный из Китая мохнаторукий краб – он проник во многие реки, и, строя свои норы, подрывает берега и разрушает плотины.
К биогенной миграции II рода можно отнести и перемещение самого живого вещества. Сюда относятся сезонные перелеты птиц, перемещения животных в поисках корма, массовые миграции животных. Естественно, что все эти разнообразные формы движения живого вызывают и транспортировку небиогенного вещества.
Вернадский, как мы видели, подразделял процессы, осуществляемые в биосфере живым веществом, по характеру самих процессов. Несколько иначе подошел к зтому вопросу современник Владимира Ивановича Н.А.Андрусов. “Химическая деятельность организма вообще, имеющая геологическое значение ,– писал Андрусов,– может быть сведена к двум категориям: во-первых, к образованию на наружной поверхности или внутри твердых выделений, способных сохраняться; во-вторых, к образованию жидких и газообразных выделений, способных вступать в различные химические реакции с окружающим неорганическим миром”. По существу, эту же мысль развивала на современном материале микробиолог Т.В.Аристовская. Она указала, что миграция атомов химических элементов может быть как прямым, так и косвенным результатом жизнедеятельности организмов (в первую очередь бактерий). В таблице совмещены классификационные подходы Вернадского (горизонтальные ряды) и Андрусова – Аристовской ( вертикальные столбцы). Для понимания той работы, которую совершает живое вещество в биосфере, очень важными являются три основных положения, которые Владимир Иванович называл “биогеохимическими принципами”.
В формулировке В.И.Вернадского они звучат следующим образом:
I принцип:”Биогенная миграция атомов химических элементов в биосфере всегда стремится к максимальному своему проявлению”.
II принцип: “Эволюция видов в ходе геологического времени, приводящая к созданию форм жизни устойчивых в биосфере, идет в направлении, увеличивающем биогенную миграцию атомов биосферы” (или в другой формулировке: “При эволюции видов выживают те организмы, которые своею жизнью увеличивают биогенную геохимическую энергию”).
III принцип: “В течение всего геологического времени, с криптозоя, заселение планеты должно было быть максимально возможное для всего живого вещества, которое тогда существовало”.
Для Вернадского I биогеохимический принцип был тесно связан со способностью живого вещества неограниченно размножаться в оптимальных условиях. “Вихрь атомов”, который представляет собой жизнь, по определению Жоржа Кювье, стремится к безграничной зкспансии. Следствием этого и является максимальное проявление биогенной миграции атомов в биосфере.
II биогеохимический принцип, по существу, затрагивает кардинальную проблему современной биологической теории – вопрос о направленности эволюции организмов. По мысли Вернадского, преимущества в ходе эволюции получают те организмы, которые приобрели способность усваивать новые формы энергии или “научились” полнее использовать химическую энергию, запасенную в других организмах. В ходе биологической эволюции, таким образом, увеличивается “КПД” биосферы в целом. Чисто математически это показал В.В.Алексеев, который на основе расчетов пришел к следующим выводам: “Эволюция должна идти в направлении увеличения скорости обмена веществом в системе”. И далее: “Становится понятным, почему образовались ферменты, роль которых заключается в резком увеличении скоростей реакций, идущих при обычных условиях исключительно медленно”.
II биохимический принцип Вернадского получает подтверждения на самом разнообразном эмпирическом материале. Так, в 1956 году почвовед В.Л.Ковда изложил результаты химического исследования более 1300 образцов золы современных высших растений. На этом обширнейшем фактическом материале автор пришел к выводу, что (за несколькими исключениями) зольность растений возрастает от представителей древних таксонов к более молодым. Эта закономерность – одно из частных проявлений II биогеохимического принципа. Вообще же его проявления в биосфере очень многообразны и довольно неожиданны. Возьмем другой пример из области ботаники.
Магаданский ботаник А.П.Хохряков недавно установил своеобразную направленность эволюции высших растений – интенсификацию смен органов в ходе индивидуального развития организма. “Так, по мнению Хохрякова, у древних древовидных плаунов – лепидодендронов – смене была подвержена только часть листьев. У более продвинутых в эволюционном отношении растений – папоротникообразных – опадают также только листья, но у них в единицу времени по отношению к массе всего тела сменяется большая часть, чем у лепидодендронов. У наиболее примитивных голосеменных – саговников – сменам также подвержены только листья, да и то за исключением оснований. У хвойных периодически сменяются ветви и кора. Наконец, на примере цветковых мы наиболее четко видим переход от многолетних форм (деревья и кустарники) к однолетним (травы). Этот же переход наблюдается и у других таксонов высших растений: среди древних хвощей и плаунов господствовали древовидные формы, а современные нам овощи и плауны – травы; среди папоротников в геологическом прошлом было много древовидных, а сейчас древовидные папоротники вымирают. Такая интенсификация смен, естественно, приводит к усилению биогенной миграции атомов в биосфере. И здесь “работает” II принцип...
III биогеохимический принцип также связан со “всюдностью” или “давлением” жизни. Этот фактор обеспечивает безостановочный захват живым веществом любой территории, где возможно нормальное функционирование живых организмов.
Биосфера и человек. Ноосфера.
Вернадский, анализируя геологическую историю Земли, утверждает, что наблюдается переход биосферы в новое состояние – в ноосферу под действием новой геологической силы, научной мысли человечества. Однако в трудах Вернадского нет законченного и непротиворечивого толкования сущности материальной ноосферы как преобразованной биосферы. В одних случаях он писал о ноосфере в будущем времени (она еще не наступила), в других в настоящем (мы входим в нее), а иногда связывал формирование ноосферы с появлением человека разумного или с возникновением промышленного производства. Надо заметить, что когда в качестве минералога Вернадский писал о геологической деятельности человека, он еще не употреблял понятий “ноосфера” и даже “биосфера”. О формировании на Земле ноосферы он наиболее подробно писал в незавершенной работе “Научная мысль как планетное явление”, но преимущественно с точки зрения истории науки.
Итак, что же ноосфера: утопия или реальная стратегия выживания? Труды Вернадского позволяют более обоснованно ответить на поставленный вопрос, поскольку в них указан ряд конкретных условий, необходимых для становления и существования ноосферы. Перечислим эти условия:
1. заселение человеком всей планеты;
2. резкое преобразование средств связи и обмена между странами;
3. усиление связей, в том числе политических, между всеми странами Земли;
4. начало преобладания геологической роли человека над другими геологическими процессами, протекающими в биосфере;
5. расширение границ биосферы и выход в космос;
6. открытие новых источников энергии;
7. равенство людей всех рас и религий;
8. увеличение роли народных масс в решении вопросов внешней и внутренней политики;
9. свобода научной мысли и научного искания от давления религиозных, философских и политических построений и создание в государственном строе условий, благоприятных для свободной научной мысли;
10. продуманная система народного образования и подъем благосостояния трудящихся. Создание реальной возможности не допустить недоедания и голода, нищеты и чрезвычайно ослабить болезни;
11. разумное преобразование первичной природы Земли с целью сделать ее способной удовлетворить все материальные, эстетические и духовные потребности численно возрастающего населения;
12. исключение войн из жизни общества.
Проследим, насколько выполняются эти условия в современном мире и остановимся более подробно на некоторых из них.
1. Заселение человеком всей планеты. Это условие выполнено. На Земле не осталось мест, где не ступала бы нога человека. Он обосновался даже в Антарктиде.
2. Резкое преобразование средств связи и обмена между странами. Это условие также можно считать выполненным. С помощью радио и телевидения мы моментально узнаем о событиях в любой точке земного шара. Средства коммуникации постоянно совершенствуются, ускоряются, появляются такие возможности, о которых недавно трудно было мечтать. И здесь нельзя не вспомнить пророческих слов Вернадского: “Этот процесс – полного заселения биосферы человеком – обусловлен ходом истории научной мысли, неразрывно связан со скоростью сношений, с успехами техники передвижения, с возможностью мгновенной передачи мысли, ее одновременного обсуждения на всей планете.” . До недавнего времени средства телекоммуникации ограничивались телеграфом, телефоном, радио и телевидением, о которых писал еще Вернадский. Имелась возможность передавать данные от одного компьютера к другому при помощи модема, подключенного к телефонной линии, документы на бумаге передавались с помощью факсимильных аппаратов. Только в последние годы развитие глобальной телекоммуникационной компьютерной сети Internet дало начало настоящей революции в человеческой цивилизации, которая входит сейчас в эру информации. В 1968 году Министерство Обороны США озаботилось связью множества своих компьютеров в специальную сеть, которая должна была способствовать научным исследованиям в военно-промышленной сфере. Изначально к этой сети было предъявлено требование устойчивости к частичным повреждениям: любая часть сети может исчезнуть в любой момент. И в этих условиях всегда должно было быть возможным установить связь между компьютером-источником и компьютером-приемником информации (станцией назначения). Разработка проекта такой сети и его осуществление было поручено ARPA – Advanced Research Projects Agency – Управлению передовых исследований Министерства Обороны. Через пять лет напряженной работы такая сеть была создана и получила название ARPAnet. В течение первых десяти лет развитие компьютерных сетей шло незаметно – их услугами пользовались только специалисты по вычислительной и военной технике. Но с развитием локальных сетей, объединяющих компьютеры в пределах одной какой-либо организации, появилась потребность связать воедино локальные сети различных организаций. Время от времени предпринимались попытки использовать для этого уже готовую сеть ARPAnet, но бюрократы Министерства Обороны были против. Жизнь требовала быстрых решений, поэтому за основу будущей сети сетей Internet была взята структура уже существующей сети ARPAnet. В 1973 году было организовано первое международное подключение – к сети подключились Англия и Норвегия. Однако причиной начала взрывного роста сети Internet в конце 80-х годов стали усилия NSF (National Science Foundation – Национальный научный фонд США) и других академических организаций и научных фондов всего мира по подключению научных учреждений к сети. Рост и развитие сети Internet, совершенствование вычислительной и коммуникационной техники идет сейчас подобно тому, как идет размножение и эволюция живых организмов. На это в свое время обратил внимание Вернадский: “Со скоростью, сравнимой скоростью размножения, выражаемой геометрической прогрессией в ходе времени, создается этим путем в биосфере все растущее множество новых для нее косных природных тел и новых больших природных явлений.” . “...Ход научной мысли, например, в создании машин, как давно замечено, совершенно аналогичен ходу размножения организмов.” . Если раньше сетью пользовались только исследователи в области информатики, государственные служащие и подрядчики, то теперь практически любой желающий может получить доступ к ней. И здесь мы видим воплощение мечты Вернадского о благоприятной среде для развития научной работы, популяризации научного знания, об интернациональности науки. Действительно, если раньше людей разделяли границы и огромные расстояния, то теперь, возможно, только языковой барьер. “Всякий научный факт, всякое научное наблюдение, – писал Вернадский, – где бы и кем бы они ни были сделаны, поступают в единый научный аппарат, в нем классифицируются и приводятся к единой форме, сразу становятся общим достоянием для критики, размышлений и научной работы.” . Но если раньше для того, чтобы вышла в свет научная работа, чтобы научная мысль стала известной миру, требовались годы, то сейчас любой ученый, имеющий доступ к сети Internet, может представить свой труд, например, в виде так называемой WWW странички (World-Wide Web – “Всемирная паутина”) на обозрение всем пользователям сети, причем не только текст статьи и рисунки (как на бумаге), но и подвижные иллюстрации, а иногда и звуковое сопровождение. Сейчас сеть Internet – это мировое сообщество около 30 тысяч компьютерных сетей, взаимодействующих между собой. Население Internet уже составляет почти 30 миллионов пользователей и около 10 миллионов компьютеров, причем количество узлов каждые полтора года удваивается. Вернадский писал: “Скоро можно будет сделать видными для всех события, происходящие за тысячи километров” . Можно считать, что и это предсказание Вернадского сбылось.
3. Усиление связей, в том числе политических, между всеми странами Земли. Это условие можно считать если не выполненным, то выполняющимся. Возникшая после второй мировой войны Организация Объединенных наций (ООН) оказалась гораздо более устойчивой и действенной, чем Лига наций, существовавшая в Женеве с 1919 г. по 1946 г.
4. Начало преобладания геологической роли человека над другими геологическими процессами, протекающими в биосфере. Это условие также можно считать выполненным, хотя именно преобладание геологической роли человека в ряде случаев привело к тяжелым экологическим последствиям. Объем горных пород, извлекаемых из глубин Земли всеми шахтами и карьерами мира, сейчас почти в два раза превышает средний объем лав и пеплов, выносимых ежегодно всеми вулканами Земли.
5. Расширение границ биосферы и выход в космос. В работах последнего десятилетия жизни Вернадский не считал границы биосферы постоянными. Он подчеркивал расширение их в прошлом как итог выхода живого вещества на сушу, появления высокоствольной растительности, летающих насекомых, а позднее летающих ящеров и птиц. В процессе перехода в ноосферу границы биосферы должны расширяться, а человек должен выйти в космос. Эти предсказания сбылись.
6. Открытие новых источников энергии. Условие выполнено, но, к сожалению, с трагическими последствиями. Атомная энергия давно освоена и в мирных, и в военных целях. Человечество (а точнее политики) явно не готово ограничиться мирными целями, более того – атомная (ядерная) сила вошла в наш век прежде всего как военное средство и средство устрашения противостоящих ядерных держав. Вопрос об использовании атомной энергии глубоко волновал Вернадского еще более полувека назад. В предисловии к книге “Очерки и речи” он пророчески писал: “Недалеко время, когда человек получит в свои руки атомную энергию, такой источник силы, который даст ему возможность строить свою жизнь, как он захочет... Сумеет ли человек воспользоваться этой силой, направить ее на добро, а не на самоуничтожение? Дорос ли он до умения использовать ту силу, которую неизбежно должна ему дать наука?” . Огромный ядерный потенциал поддерживается чувством взаимного страха и стремлением одной из сторон к зыбкому превосходству. Могущество нового источника энергии оказалось сомнительным, он пришелся не ко времени и попал не в те руки. Для развития международного сотрудничества в области мирного использования атомной энергии в 1957 году создано Международное Агентство по Атомной Энергии (МАГАТЭ), объединявшее к 1981 году 111 государств.
7. Равенство людей всех рас и религий. Это условие если не достигнуто, то, во всяком случае, достигается. Решительным шагом для установления равенства людей различных рас и вероисповеданий было разрушение в конце прошлого века колониальных империй.
8. Увеличение роли народных масс в решении вопросов внешней и внутренней политики. Это условие соблюдается во всех странах с парламентской формой правления.
9. Свобода научной мысли и научного искания от давления религиозных, философских и политических построений и создание в государственном строе условий, благоприятных для свободной научной мысли. Трудно говорить о выполнении этого условия в стране, где еще совсем недавно наука находилась под колоссальным гнетом определенных философских и политических построений. Сейчас наука от таких давлений свободна, однако из-за тяжелого экономического положения в российской науке многие ученые вынуждены зарабатывать себе на жизнь ненаучным трудом, другие уезжают за границу. Для поддержания российской науки созданы международные фонды. В развитых и даже развивающихся странах, что мы видим на примере Индии, государственный и общественный строй создают режим максимального благоприятствования для свободной научной мысли.
10. Продуманная система народного образования и подъем благосостояния трудящихся. Создание реальной возможности не допустить недоедания и голода, нищеты и чрезвычайно ослабить болезни. О выполнении этого условия трудно судить объективно, находясь в большой стране, стоящей на пороге голода и нищеты, как об этом пишут все газеты. Однако Вернадский предупреждал, что процесс перехода биосферы в ноосферу не может происходить постепенно и однонаправлено, что на этом пути временные отступления неизбежны. И обстановку, сложившуюся сейчас в нашей стране, можно рассматривать как явление временное и преходящее.
11. Разумное преобразование первичной природы Земли с целью сделать ее способной удовлетворить все материальные, эстетические и духовные потребности численно возрастающего населения. Это условие, особенно в нашей стране, не может считаться выполненным, однако первые шаги в направлении разумного преобразования природы во второй половине XX века несомненно начали осуществляться. В современный период происходит интеграция наук на базе экологических идей. Вся система научного знания дает фундамент для экологических задач. Об этом также говорил Вернадский, стремясь создать единую науку о биосфере. Экологизация западного сознания происходила начиная с 70-х годов, создавая условия для возникновения экофильной цивилизации. Сейчас экстремистская форма зеленого движения оказалась там уже не нужной, поскольку заработали государственные механизмы регулирования экологических проблем. В СССР до 80-х годов считалось, что социалистическое хозяйствование препятствует угрозе экологического кризиса. В период перестройки этот миф развеялся, активизировалось движение зеленых. Однако в современный период политическое руководство переориентировалось в основном на решение экономических проблем, проблемы экологии отошли на задний план. В мировом масштабе для разрешения экологической проблемы в условиях роста населения планеты требуется способность решения глобальных проблем, что в условиях суверенитета различных государств кажется сомнительным.
12. Исключение войн из жизни общества. Это условие Вернадский считал чрезвычайно важным для создания и существования ноосферы. Но оно не выполнено и пока неясно, может ли быть выполнено. Мировое сообщество стремится не допустить мировой войны, хотя локальные войны еще уносят многие жизни.
Таким образом, мы видим, что налицо все те конкретные признаки, все или почти все условия, которые указывал В.И.Вернадский для того, чтобы отличить ноосферу от существовавших ранее состояний биосферы. Процесс ее образования постепенный, и, вероятно, никогда нельзя будет точно указать год или даже десятилетие, с которого переход биосферы в ноосферу можно будет считать завершенным. Но, конечно, мнения по этому вопросу могут быть разные.
Сам Вернадский, замечая нежелательные, разрушительные последствия хозяйствования человека на Земле, считал их некоторыми издержками. Он верил в человеческий разум, гуманизм научной деятельности, торжество добра и красоты. Что-то он гениально предвидел, в чем-то, возможно, он ошибался. Ноосферу следует принимать как символ веры, как идеал разумного человеческого вмешательства в биосферные процессы под влиянием научных достижений. Надо в нее верить, надеяться на ее пришествие, предпринимать соответствующие меры.
Роль человеческого фактора в развитии биосферы.
Центральной темой учения о ноосфере является единство биосферы и человечества. Вернадский в своих работах раскрывает корни этого единства, значение организованности биосферы в развитии человечества. Это позволяет понять место и роль исторического развития человечества в эволюции биосферы, закономерности ее перехода в ноосферу.
Одной из ключевых идей, лежащих в основе теории Вернадского о ноосфере, является то, что человек не является самодостаточным живым существом, живущим отдельно по своим законам, он сосуществует внутри природы и является частью ее. Это единство обусловлено прежде всего функциональной неразрывностью окружающей среды и человека, которую пытался показать Вернадский как биогеохимик. Человечество само по себе есть природное явление и естественно, что влияние биосферы сказывается не только на среде жизни но и на образе мысли.
Но не только природа оказывает влияние на человека, существует и обратная связь. Причем она не поверхностная, отражающая физическое влияние человека на окружающую среду, она гораздо глубже. Это доказывает тот факт, что в последнее время заметно активизировались планетарные геологические силы. “...мы все больше и ярче видим в действии окружающие нас геологические силы. Это совпало, едва ли случайно, с проникновением в научное сознание убеждения о геологическом значении Homo sapiens, с выявлением нового состояния биосферы — ноосферы — и является одной из форм ее выражения. Оно связано, конечно, прежде всего с уточнением естественной научной работы и мысли в пределах биосферы, где живое вещество играет основную роль” . Так, в последнее время резко меняется отражение живых существ на окружающей природе. Благодаря этому процесс эволюции переносится в область минералов. Резко меняются почвы, воды и воздух. То есть эволюция видов сама превратилась в геологический процесс, так как в процессе эволюции появилась новая геологическая сила. Вернадский писал: “Эволюция видов переходит в эволюцию биосферы” .
Здесь естественно напрашивается вывод о том, что геологической силой является собственно вовсе не Homo Sapiens, а его разум, научная мысль социального человечества. В “Философских мыслях натуралиста” Вернадский писал: “Мы как раз переживаем ее яркое вхождение в геологическую историю планеты. В последние тысячелетия наблюдается интенсивный рост влияния одного видового живого вещества — цивилизованного человечества — на изменение биосферы. Под влиянием научной мысли и человеческого труда биосфера переходит в новое состояние — в ноосферу” .
Мы являемся наблюдателями и исполнителями глубокого изменения биосферы. Причем перестройка окружающей среды научной человеческой мыслью посредством организованного труда вряд ли является стихийным процессом. Корни этого лежат в самой природе и были заложены еще миллионы лет назад в ходе естественного процесса эволюции. “Человек... составляет неизбежное проявление большого природного процесса, закономерно длящегося в течение, по крайней мере, двух миллиардов лет” .
Отсюда, кстати, можно заключить что высказывания о самоистреблении человечества, о крушении цивилизации не имеют под собой веских оснований. Было бы по меньшей мере странно, если бы научная мысль – порождение естественного геологического процесса противоречила бы самому процессу. Мы стоим на пороге революционных изменений в окружающей среде: биосфера посредством переработки научной мыслью переходит в новое эволюционное состояние – ноосферу.
Заселяя все уголки нашей планеты, опираясь на государственно организованную научную мысль и на ее порождение, технику, человек создал в биосфере новую биогенную силу, поддерживающую размножение и дальнейшее заселение различных частей биосферы. Причем вместе с расширением области жительства, человечество начинает представлять себя все более сплоченную массу, так как развивающие средства связи – средства передачи мысли окутывают весь Земной шар. “Этот процесс – полного заселения биосферы человеком – обусловлен ходом истории научной мысли, неразрывно связан со скоростью сношений, с успехами техники передвижения, с возможностью мгновенной передачи мысли, ее одновременного обсуждения всюду на планете” .
При этом человек впервые реально понял, что он житель планеты и может и должен мыслить и действовать в новом аспекте, не только в аспекте отдельной личности, семьи или рода, государств или их союзов, но и в планетном аспекте. Он, как и все живое, может мыслить и действовать в планетном аспекте только в области жизни — в биосфере, в определенной земной оболочке, с которой он неразрывно, закономерно связан и уйти из которой он не может. Его существование есть ее функция. Он несет ее с собой всюду. И он ее неизбежно, закономерно, непрерывно изменяет. Похоже, что впервые мы находимся в условиях единого геологического исторического процесса, охватившего одновременно всю планету. XX век характерен тем, что любые происходящее на планете событие связываются в единое целое. И с каждым днем социальная, научная и культурная связанность человечества только усиливается и углубляется. “Увеличение вселенскости, спаянности всех человеческих обществ непрерывно растет и становится заметным в немногие годы чуть не ежегодно” .
Результат всех вышеперечисленных изменений в биосфере планеты дал повод французскому геологу Тейяр де Шардену заключить, что биосфера в настоящий момент быстро геологически переходит в новое состояние – в ноосферу, то есть такое состояние в котором человеческий разум и направляемая им работа представляют собой новую мощную геологическую силу. Это совпало, видимо не случайно, с тем моментом когда человек заселил всю планету, все человечество экономически объединилось в единое целое и научная мысль всего человечества слилась воедино, благодаря успехам в технике связи. Таким образом:
Человек, как он наблюдается в природе, как и все живые организмы, как всякое живое вещество, есть определенная функция биосферы, в определенном ее пространстве-времени;
Человек во всех его проявлениях представляет собой часть биосферы;
Прорыв научной мысли подготовлен всем прошлым биосферы и имеет эволюционные корни. Ноосфера – это биосфера, переработанная научной мыслью, подготавливающейся всем прошлым планеты, а не кратковременное и переходящее геологическое явление.
Вернадский неоднократно отмечал, что “цивилизация “культурного человечества” — поскольку она является формой организации новой геологической силы, создавшейся в биосфере,— не может прерваться и уничтожиться, так как это есть большое природное явление, отвечающее исторически, вернее, геологически сложившейся организованности биосферы. Образуя ноосферу, она всеми корнями связывается с этой земной оболочкой, чего раньше в истории человечества в сколько-нибудь сравнимой мере не было” .
Многое из того, о чем писал Вернадский, становится достоянием сегодняшнего дня. Современны и понятны нам его мысли о целостности, неделимости цивилизации, о единстве биосферы и человечества. Переломный момент в истории человечества, о чем сегодня говорят ученые, политики, публицисты, был увиден Вернадским.
Вернадский видел неизбежность ноосферы, подготавливаемой как эволюцией биосферы, так и историческим развитием человечества. С точки зрения ноосферного подхода по-иному видятся и современные болевые точки развития мировой цивилизации. Варварское отношение к биосфере, угроза мировой экологической катастрофы, производство средств массового уничтожения — все это должно иметь преходящее значение. Вопрос о коренном повороте к истокам жизни, к организованности биосферы в современных условиях должен звучать как набат, призыв к тому, чтобы мыслить и действовать, в биосферном – планетном аспекте.
ВОЗДУШНАЯ СРЕДА. ______________________
Воздушная среда может быть наружной, в которой большинс-тво людей проводят меньшую часть времени(до 10-15%), внутрен-ней производствееной (в ней человек проводит до 25-30% своего времени) и внутренней жилой, где люди пребывают большую часть времени (до 60-70% и более).В соответствии со временем, кото-рое проводят люди во внутренней жилой, производственной и на-ружной воздушной сферах, ее состоянию (качеству) должно уде-ляться особое внимание. Из этого не следует, конечно, что
можно недооценивать состояние наружной воздушной среды, так как она, в частности, поддерживает внутренюю жилую и произ-водственную воздушную среды.
Наружный воздух у поверхности земли содержит по обьему:
78,08% азота; 20,95% кислорода; 0,94% инертных газов и 0,03% углекислого газа. На высоте 5 км содержание кислорода остает-ся тем же, а азота увеличивается до 78,89%. Часто воздух у поверхности земли имеет различные примеси, особенно в городах: там он содержит более 40 ингридеентов, чуждых природной воз¬душной среде. Внутренний воздух в жилищах, как правило, имеет
повышенное содержание углекислого газа, а внутренний воздух производственных помещений обычно содержит примеси, характер которых определяется технологией проихводства.
Среди газов выделяется водяной пар,который попадает
в атмосферу в результате испарений с Земли. Большая его часть (90%) сосредоточенав самом нижнем пятикилометровом слое
атмосферы , с высотой его количество очень быстро уменьшается . Дело в том , что количество водяного пара зависит от температуры воздуха : чем она ниже , тем пара меньше , а с высотой температура воздуха понижается.
Когда количество водяного пара при данной температуре
достигает максимума , он насыщает пространство . Например ,
при +30 в кубометре воздуха может находится максимум 30г
водяного пара , а при -30 всего лишь 0,3г . Не насыщенный
водяным паром воздух может стать насыщенным , если его охладить. Если количество пара достигает при данной температуре, то
при дальнейшем охлаждении воздуха пар превращается в маленькие капельки воды ,т.е. конденсируется. Так образуются облака :
при восходящем движении воздух расширяется и охлаждается, а содержащийся в нем водяной пар конденсируется.
Атмосфера содержит много пыли , которая попадает туда
с поверхности Земли и частично из космоса. при сильных волнениях ветры подхватывают водяные брызги из морей и океанов. Так
попадают в атмосферу из воды частицы соли. В результате извержения вулканов, лесных пожаров , работы промышленных обьектов и т.д. воздух загрязняется продуктами неполного сгорания.Больше всего пыли и других примесей в приземном слое воздуха. Даже после
дождя в 1 см содержится около 30 тыс. пылинок,а в сухую
погоду их в сухую погоду их в несколько раз больше.
Все эти мельчайшие примеси влияют на цвет неба. Молекулы газов рассеивают коротковолновую часть спектра
солнечного луча , т.е. фиолетовые и синие лучи.Поэтому днем небо голубого цвета. А частицы примесей , которые значительно
крупней молекул газов,рассеивают световые лучи почти всеч длин волн.Поэтому, когда воздух запылен или в нем содержатся капельки воды,небо становится белесоватым. На больших высотах небо темно-фиолетовое и даже черное.
В результате происходящего на Земле фотосинтеза рас-
тительность ежегодно образует 100 млрд. т. органических
веществ (около половины приходится на долю морей и океанов), усваивая при этом около 200 млрд. т.углекислого газа и вы-
деляя во внешнюю среду около 145 млрд.т. свободного кисло¬рода, полагают, что благодаря фотосинтезу образуется весь кислород атмосферы. О роли в этом круговороте зеленых на¬саждений говорят следующие данные: 1 га зеленых насаждений в среднем за 1 час очищает воздух от 8 кг углекислого газа (выделяемого за это время при дыхании 200 человек). Взрос¬лое дерево за сутки выделяет 180 литров кислорода, а за пять месяцев (с мая по сентябрь) оно поглощает около 44 кг углекислого газа.
Количество выделяемого кислорода и поглощаемого угле¬кислого газа зависит от возраста зеленых насаждений, видо¬вого состава, плотности посадки и других факторов.
Не меньшее значение имеют и морские растения,--фито-планктон(в основном водоросли и бактерии), высвобождаю-щие путем фотосинтеза кислород.
ВОДНАЯ СРЕДА.
________________________
Водная среда включает поверхностные и подземные воды. Поверхностные воды в основном сосредоточены в океане, содержа¬нием 1 млрд. 375 млн. кубических километров--около 98% всей воды на Земле. Поверхность океана (акватория) составляет 361 млн. квадратных километров. Она примерно в 2,4 раза больше площади суши--территории, занимающей 149 млн. квадратных ки-лометров. Вода в океане соленая,причем большая ее часть (бо-лее 1 млрд. кубических километров) сохраняет постоянную со-леность около 3,5% и температуру,примерно равную 3,7`С. За-метные различия в солености и температуре наблюдаются почти исключительно в поверхностном слое воды, а также в окраинных
и особенно в средиземных морях. Содержание растворенного кис¬лорода в воде существенно уменьшается на глубине 50-60 мет¬ров.
Подземные воды бывают солеными, соленоватыми(меньшей солености) и пресными; существующие геотермальные воды имеют повышенную температуру(более 30`С).
Для производственной деятельности человечества и его хозяйственно-бытовых нужд требуется пресная вода, количество которой составляет всего лишь 2,7% общего обьема воды на Зем¬ле, причем очень малая ее доля (всего 0,36%) имеется в легко¬доступных для добычи местах. Большая часть пресной воды со¬держится в снегах и пресноводных айсбергах, находящихся в районах в основном Южного полярного круга.
Годовой мировой рречной сток пресной воды составляет 37,3 тыс. кубических километров. Кроме того, может использо-ваться часть подземных вод, равная 13 тыс. кубическим кило-метрам. К сожалению, большая часть речного стока в России, составляющая около 5000 кубических километров, приходится на малоплодородные и малозаселенные северные территотии.
При отсутствии пресной воды используют соленую повер-хностную или подземную воду, производя ее опреснение или ги-перфильтрацию: пропускают под большим перепадом давлений че¬рез полимерные мембраны с микроскопическими отверстиями, за¬держивающими молекулы соли. Оба эти процесса весьма энерго¬емки, поэтому представляет интерес предложение, состоящее в использовании в качестве источника пресной воды пресноводных айсбергов (или их части), которые с этой целью буксируют по воде к берегам, не имеющим пресной воды, где организуют их таяние. По предварительным расчетам разработчиков этого пред¬ложения, получение пресной воды будет примерно вдвое менее энергоемки по сравнению с опреснением и гиперфильтрацией.
Важным обстоятельством, присущим водной среде, яв-
ляется то, что через нее в основном передаются инфекционные заболевания (примерно 80% всех заболеваний). Впочем, неко-торые из них, например коклюш, ветрянка,туберкулез,передаются и через воздушную среду. С целью борьбы с распространением заболеваний через водную среду Всемирная организация здраво¬охранения (ВОЗ) обьявила текущее десятилетие десятилетием питьевой воды.
ВОДНЫЙ БАЛАНС ЗЕМЛИ.
______________________
Чтобы представить,сколько воды участвует в круговороте, охарактеризуем различные части гидросферы.Более 94% ее составляет Мировой океан . Другая часть(4%)-подземные воды.При этом следует учесть ,что большая их часть относится к глубинным рассолам,а пресные воды составляют 1/15 долю.Значителен также обем льда полярных ледников:с пересчетом на воду он достигает 24 млн.км., или 1,6% объема гидросферы. Озерной воды в 100 раз меньше -230 тыс.км. , а в руслах рек содержится всего лишь 1200 км. воды,
или 0,0001% всей гидросферы. Однако , несмотря на малый объем
воды,реки играют очень большую роль :они,как и подземные воды, удовлетворяют значительную часть потребностей населения , промышленности и орошаемого земледелия.
Воды на Земле довольно много . Гидросфера составляет около 1/4180 части всей массы нашей планеты. Однако на долю пресных вод,исключая воду, скованную в полярных ледниках, приходится немногим более 2 млн.км., или только 0,15% всего объема гидросферы.
КЛИМАТИЧЕСКАЯ СРЕДА.
_______________________________
Климатическая среда является важным фактором, опреде¬ляющим развитие различных видов животного, растительного ми-
ра и его плодородие. Характерной особенностью России являет¬ся то, что большая часть ее территории имеет значительно бо¬лее холодный климат, чем в других странах. Ддя подтвержления этого рассмотрим средние температуры самого холодного меся ¬ца, которым является в наиболее заселенном северном полушарии январь, для некоторых городов мира (данные БСЭ):
ГОРОД. ТЕМПЕРАТУРА, `С. Москва ................................-10,2
Нью-Йорк ..............................-0,8
Берлин ................................-0,3
Париж .................................+3,4
Лондон ................................+5,3
Вашингтон .............................+1
Рим ...................................+6,8 Стокгольм .............................-3
Рейкьявик .............................+1
Внутренняя температура большей части отапливаемых помещений (жилых) равняется +18`С. Теплопотери помещений или количес-тво теплоты, необходимое для отопления обьема здания, при¬ходящегося на одного человека, а также подогрева приточного винтиляционного воздуха, прямо пропорциональны разности температур внутреннего и наружного воздуха. Эта разность температур, как видно, для Москвы в 2,5 раза больше, чем для Рима; в 2,2 -- для Лондона; в 1,8 -- для Парижа; в 1,6¬-1,65 --для Нью-Йорка,Берлина и Вашингтона и в 1,35 --для Стокгольма.
Иными словами, можно утверждать, что расход тепловой энергии (или топлива) на отопление и вентиляцию зданий в январе на 35-150% больше в Москве, чем в других названных городах. В годовом разрезе, учитывая большую в Москве, чем в указанных городах, продолжительнос отопительного сезона, эта разница будет еще больше.
Приведенные данные, конечно, не исчерпывают разнообра¬зия климата разных стран, так как они не представляют кли¬мат таких стран и континентов, как Япония, Испания, Африка, Австралия, Южная Америка и другие. Однако там климат преи¬мущественно теплее. Есть только одна страна, похожая по климату на большую часть территории России--это Канада, но ее население в 10 раз меньше. О холодном климате в России свидетельствует тот факт, что 49% территории суши страны занимает вечномерзлые грунты.
Косвенно о климате России сравнительно с климатом дру¬гих стран можно судить по количеству сжигаемого топлива: во
всем мире, например, в 1980 году было сожжено в пересчете на условное топливо около 10 млрд. т.,из них 2 млрд. --в России, при населении,составляющем 6,6% населения Земли. Следователь¬но, в среднем на 1 человека было сожжено в 3 раза больше топ¬лива, чем в среднем на 1 человека на Земле. Эта разница объяс¬няется климатическими условиями, развитостью промышленности и транспорта в России. Она свидетельствует также о существенном загрязнении воздушной среды, которое создает сжигание органи¬ческих видов топлива.
АКУСТИЧЕСКАЯ СРЕДА.
_____________________________
Акустическая среда является существенным фактором, влия¬ющим на самочувствие людей и животных. Поставлены опыты, ко¬торые доакзывают, что повышенный шум неблагоприятно влияет да¬же на развитие растений. Акустическая среда заполняется шумом. Различают низкие, средние и высокие звуки.
Колебания охватывают большой диапозон частот: от 1 до 16 Гц--инфразвуковые, от 16Гц до 20кГц--звуковые, выше 20кГц--ультразвуковые. Находящиеся в звуковой области шумы принято делить на низкочастотные(ниже 350 Гц), среднечастотные(от 350 до 800Гц), высокочастотные(выше 800 Гц). Как правило,в спектре шума присутствуют все частоты. Самое неблагоприятное действие на человека оказывает шум, в спектре которого преобладают вы¬сокие частоты.
Нормируемыми параметрами шума являются уровни в децибелах (дБ) среднеквадратичных звуковыхдавлений в октавных полосах частот со среднегеометрическими частотами 63, 125, 250, 500, 1000, 2000, 4000 и 8000 Гц. Они допускаются большими для низ-ких частот и меньшими для высоких частот, например, в квартир-ных жилых домах--55 дБ для 63 Гц и 18 дБ для 8000 Гц, а на пос-тоянном рабочем месте и на территории предприятий соответствен-но-- 103 и 80 дБ.
Ультразвук и инфразвук не воспринимаются человеческим ухом, но они также могут оказывать на человека неблагоприятное воздей¬ствие. Последствия его зависят от продолжительности, характера шума (тональный, импульсный), а также от состояния человека. Особенно неблагоприятно шумовое воздействие во время сна.
Люди по-разному воспринимают шум в зависимости от возрас-
та, эмоциональности, состояния нервной системы и другого. Он мешает работе, отдыху, нарушает сон. Шум является не только при-чиной развития глухоты, но и таких заболеваний, как гипертония, расстройство центральной нервной системы, язва желудка и другие. Сильный шум, длительное время воздействующий на человека, пони-жает его способность к продолжению рода. Звук, равный 130 дБ, воспринимается уже не как звук, а как давление, причиняющее боль. По данным австралийских исследователей, "шумовое загрязнение", характерное сейчас для больших городов, сокращает продолжитель-ность жизни их жителей на 10-12 лет.
Все рассмотренные составляющие окружающей среды входят в
БИОСФЕРУ: оболочку Земли, включающую часть атмосферы, гидро-сферу и верхнюю часть литосферы, которые взаимно связанны слож-ными биохимическими циклами миграции вещества и энергии, геоло-гическую оболочку Земли, населенную живыми организмами. Верхний предел жизни биосферы ограничен интенсивной концентрацией уль-трафтолетовых лучей; нижний--высокой температурой земных недр (свыше100`С). Крайних пределов ее достигают только низшие орга-низмы--бактерии.
Гидросфера как природная система.
Гидросфера – это прерывистая водная оболочка Земли, совокупность морей, океанов, континентальных вод (включая подземные) и ледяных покровов. Моря и океаны занимают около 71% земной поверхности, в них сосредоточено около 96.5% всего объема гидросферы. Суммарная площадь всех внутренних водоемов суши составляет менее 3% ее площади. На долю ледников приходится 1.6% запасов воды в гидросфере, а их площадь составляет около 10% площади континентов.
Важнейшее свойство гидросферы – единство всех видов природных вод (Мирового океана, вод суши, водяного пара в атмосфере, подземных вод), которое осуществляется в процессе круговорота воды в природе. Движущими силами этого глобального процесса служат поступающая на поверхность Земли тепловая энергия Солнца и сила тяжести, обеспечивающие перемещение и возобновление природных вод всех видов.
Испарение с поверхности Мирового океана и с поверхности суши является начальным звеном круговорота вода в природе, обеспечивающим не только возобновление наиболее ценного его компонента – пресных вод суши, но и их высокое качество. Показателем активности водообмена природных вод служит высокая скорость их возобновления, хотя различные природные воды возобновляются (замещаются) с неодинаковой скоростью. Наиболее мобильный агент гидросферы – речные воды, период возобновления которых составляет10-14 суток.
Воды выступает в качестве одного из важнейших экзогенных факторов, видоизменявших лик земной поверхности. Теплоемкость воды в 3.3 тыс. раз больше теплоемкости воздуха. Поглощая огромное количество тепловой энергии и медленно ее отдавая, вода служит регулятором климатических процессов глобального масштаба.
Преобладающая часть гидросферных вод сосредоточена в Мировом океане. Мировой океан – основное замыкающее звено круговорота воды в природе. Он отдает большую часть испаряющейся влаги в атмосферу. Водные организмы, населяющие поверхностный слой Мирового океана, обеспечивают возврат в атмосферу значительной части свободного кислорода планеты.
Огромный объем Мирового океана свидетельствует о неисчерпаемости природных ресурсов планеты. Кроме того, Мировой океан является коллектором речных вод суши, ежегодно принимая около 39 тыс. кубических километров воды. Наметившееся в отдельных районах загрязнение Мирового океана грозит нарушить естественный процесс влагооборота в его наиболее ответственном звене – испарении с поверхности океана.
Загрязнение.
Под загрязнением водо¬емов понимается снижение их биосферных функций и эко-номического значения в результате поступления в них вредных веществ.
Одним из видов загрязнения водоемов является теп¬ловое загрязнение. Электростанции, промышленные предприятия часто сбрасывают подогретую воду в водоем. Это приводит к повышению в нем температуры воды. С повышением температуры в водоеме уменьшается ко¬личество кислорода, увеличивается токсичность загряз¬няющих воду примесей, нарушается биологическое рав¬новесие.
В загрязненной воде с повышением температуры начи¬нают бурно размножаться болезнетворные микроорганиз¬мы и вирусы. Попав в питьевую воду, они могут вызвать вспышки различных заболеваний.
В ряде регионов важным источником пресной воды яв¬лялись подземные воды. Раньше они считались наиболее чистыми. Но в настоящее время в результате хозяйствен¬ной деятельности человека многие источники подземной воды также подвергаются загрязнению. Нередко это загрязнение настолько велико, что вода из них стала непри¬годной для питья.
Человечество потребляет на свои нужды огромное коли¬чество пресной воды. Основными ее потребителями явля¬ются промышленность и сельское хозяйство. Наиболее во¬доемкие отрасли промышленности - горнодобывающая, сталелитейная, химическая, нефтехимическая, целлюлоз¬но-бумажная и пищевая. На них уходит до 70% всей воды, затрачиваемой в промышленности. Главный же потреби¬тель пресной воды - сельское хозяйство: на его нужды уходит 60-80% всей пресной воды.
В современных условиях сильно увеличиваются потреб¬ности человека в воде на коммунально-бытовые нужды. Объем потребляемой воды для этих целей зависит от региона и уровня жизни, составлял от 3 до 700 л на одного человека, В Москве, например, на каждого жителя прихо¬дится около 650 л, что является одним из самых высоких показателей в мире.
Из анализа водопользования за 5-6 прошедших деся¬тилетий вытекает, что ежегодный прирост безвозврат¬ного водопотребления, при котором использованная вода безвозвратно теряется для природы, составляет 4-5%. Перспективные расчеты показывают, что при сохране¬нии таких темпов потребления и с учетом прироста на¬селения и объемов производства к 2100 г. человечество может исчерпать все запасы пресной воды.
Уже в настоящее время недостаток пресной воды испы¬тывают не только территории, которые природа обделила водными ресурсами, но и многие регионы, еще недавно считавшиеся благополучными в этом отношении. В настоя¬щее время потребность в пресной воде не удовлетворяется у 20% городского и 75% сельского населения планеты.
Вмешательство человека в природные процессы затро¬нуло даже крупные реки (такие, как Волга, Дон, Днепр), изменив в сторону уменьшения объемы переносимых вод¬ных масс (сток рек). Используемая в сельском хозяйстве вода по большей части расходуется на испарение и образо¬вание растительной биомассы и, следовательно, не возвра¬щается в реки. Уже сейчас в наиболее обжитых районах страны сток рек сократился на 8% , а у таких рек, как Дон, Терек, Урал - на 11-20%. Весьма драматична судьба Аральского моря, по сути, прекратившего существование из-за чрезмерного забора вод рек Сырдарьи и Амударьи на орошение.
Ограниченные запасы пресной воды еще больше сокра¬щаются из-за их загрязнения. Главную опасность представ¬ляют сточные воды (промышленные, сельскохозяйствен¬ные и бытовые), поскольку значительная часть использо¬ванной воды возвращается в водные бассейны в виде сточ¬ных вод.
Загрязнение поверхностных вод.
Качество воды большинства водных объектов не отвечает нормативным требованиям. Многолетние наблюдения за динамикой качества поверхностных вод обнаруживают тенденцию увеличения числа створов с высоким уровнем загрязненности (более 10 ПДК) и числа случаев экстремально высокого содержания (Свыше 100 ПДК) загрязняющих веществ в водных объектах.
Состояние водных источников и систем централизованного водоснабжения не может гарантировать требуемого качества питьевой воды, а в ряде регионов (Южный Урал, Кузбасс, некоторые территории Севера) это состояние достигло опасного уровня для здоровья человека. Службы санитарно-эпидемиологического надзора постоянно отмечают высокое загрязнение поверхностных вод.
Около 1/3 всей массы загрязняющих веществ вносится в водоисточники с поверхностным и ливневым стоком с территорий санитарно неблагоустроенных мест, сельскохозяйственных объектов и угодий, что влияет на сезонное, в период весеннего паводка, ухудшение качества питьевой воды, ежегодно отмечаемое в крупных городах, в том числе и в Москве. В связи с этим проводится гиперхлорирование воды, что, однако небезопасно для здоровья населения в связи с образованием хлорорганических соединений.
Одним из основных загрязнителей поверхностных вод является нефть и нефтепродукты. Нефть может попадать в воду в результате естественных ее выходов в районах залегания. Но основные источники загрязнения связаны с человеческой деятельностью: нефтедобычей, транспортировкой, переработкой и использованием нефти в качестве топлива и промышленного сырья.
Среди продуктов промышленного производства особое место по своему отрицательному воздействию на водную среду и живые организмы занимают токсичные синтетические вещества. Они находят все более широкое применение в промышленности, на транспорте, в коммунально-бытовом хозяйстве. Концентрация этих соединений в сточных водах, как правило, составляет 5-15мг/л при ПДК - 0,1 мг/л. Эти вещества могут образовывать в водоёмах слой пены, особенно хорошо заметный на порогах, перекатах, шлюзах. Способность к пенообразованию у этих веществ появляется уже при концентрации 1-2 мг/л.
Наиболее распространенными загрязняющими веществами в поверхностных водах являются фенолы, легко окисляемые органические вещества, соединения меди, цинка, а в отдельных регионах страны – аммонийный и нитритный азот, лигнин, ксантогенаты, анилин, метил меркаптан, формальдегид и др. Огромное количество загрязняющих веществ вносится в поверхностные воды со сточными водами предприятий черной и цветной металлургии, химической, нефтехимической, нефтяной, газовой, угольной, лесной, целлюлозно-бумажной промышленности, предприятий сельского и коммунального хозяйства, поверхностным стоком с прилегающих территорий.
Небольшую опасность для водной среды из металлов представляют ртуть, свинец и их соединения.
Расширенное производство (без очистных сооружений) и применение ядохимикатов на полях приводят к силь¬ному загрязнению водоемов вредными соединениями. Загрязнение водной среды происходит в результате пря¬мого внесения ядохимикатов при обработке водоемов для борьбы с вредителями, поступления в водоемы воды, сте¬кающей с поверхности обработанных сельскохозяйствен¬ных угодий, при сбросе в водоемы отходов предприятий-производителей, а также в результате потерь при транспортировке, хранении и частично с атмосферными осадками.
Наряду с ядохимикатами сельскохозяйственные стоки содержат значительное количество остатков удобрений (азота, фосфора, калия), вносимых на поля. Кроме того, большие количества органических соединений азота и фос¬фора попадают со стоками от животноводческих ферм, а также с канализационными стоками. Повышение концент¬рации питательных веществ в почве приводит к наруше¬нию биологического равновесия в водоеме.
Вначале в таком водоеме резко увеличивается количе¬ство микроскопических водорослей. С увеличением кор¬мовой базы возрастает количество ракообразных, рыб и других водных организмов. Затем происходит отмирание огромного количества организмов. Оно приводит к расхо¬дованию всех запасов кислорода, содержащегося в воде, и накоплению сероводорода. Обстановка в водоеме меняет¬ся настолько, что он становится непригодным для суще-ствования любых форм организмов. Водоем постепенно «умирает».
Современный уровень очистки сточных вод таков, что даже в водах, прошедших биологическую очистку, содержание нитратов и фосфатов достаточно для интенсивного эвтрофирования водоемов.
Эвтрофизация – обогащение водоема биогенами, стимулирующее рост фитопланктона. От этого вода мутнеет, гибнут бентосные растения, сокращается концентрация растворенного кислорода, задыхаются обитающие на глубине рыбы и моллюски.
Во многих водных объектах концентрации загрязняющих веществ превышают ПДК, установленные санитарными и рыбоохранными правилами.
Загрязнение подземных вод.
Загрязнению подвергаются не только поверхностные, но и подземные воды. В целом состояние подземных вод оценивается как критическое и имеет опасную тенденцию дальнейшего ухудшения.
Подземные воды (особенно верхних, неглубоко залегающих, водоносных горизонтов) вслед за другими элементами окружающей среды испытывают загрязняющее влияние хозяйственной деятельности человека. Подземные воды страдают от загрязнений нефтяных промыслов, предприятий горнодобывающей промышленности, полей фильтрации, шламонакопителей и отвалов металлургических заводов, хранилищ химических отходов и удобрений, свалок, животноводческих комплексов, не канализированных населенных пунктов. Происходит ухудшение качества воды в результате подтягивания некондиционных природных вод при нарушении режима эксплуатации водозаборов. Площади очагов загрязнения подземных вод достигают сотен квадратных километров.
Из загрязняющих подземные воды веществ преобладают: нефтепродукты, фенолы, тяжелые металлы (медь, цинк, свинец, кадмий, никель, ртуть), сульфаты, хлориды, соединения азота.
Перечень веществ контролируемых в подземных водах не регламентирован, поэтому нельзя составить точную картину о загрязнении подземных вод.
Угроза инфекционных заболеваний.
Неочищенные канализационные стоки – один из главных источников угрозы для здоровья человека, так как люди и животные бывают заражены патогенами (болезнетворными бактериями и другими паразитами). Зараженные люди или животные могут выделять с экскрементами огромное количество патогенов или их яиц. Иногда человек служит переносчиком инфекции, даже не ощущая симптомов заболевания. Если зараженные канализационные стоки попадут в питьевую воду, на источники пищи или в места для купания, паразиты могут инфицировать многих людей. В некоторых случаях инфекция передается через пищевые цепи. Например, устрицы, могут заглатывать паразитов, которые передаются человеку, когда он употребляет в пищу устриц. Поэтому устричные «банки», загрязненные канализационными стоками, закрыты для ловли. Кроме того, некоторые виды пищевых продуктов рекомендуется всегда подвергать термической обработке.
В большинстве случаев патогенные организмы выживают вне хозяина не более нескольких дней, а их число, попавшее в его тело, определяет вероятность развития инфекции. Следовательно, когда плотность населения низка, перенос патогенов происходит относительно редко, так как уровень их распространения невелик и проходит довольно много времени между выделением их во внешнюю среду одним хозяином и встречей с другим. Однако, чем выше плотность населения, тем вероятнее заражение. Живя и работая в густозаселенных городах, люди становятся чрезвычайно уязвимыми для патогенных организмов.
Прежде чем в середине XIX в. была установлена связь между заболеваниями и наличием в отбросах патогенов, в городах часто случались опустошительные эпидемии. В настоящее время в большинстве стран приняты санитарно-гигиенические правила, которые предотвращают такой «круговорот» патогенов, в том числе:
(1) дезинфекция запасов воды для населения хлорированием или другими методами;
(2) личная санитария и гигиена, особенно во время приготовления и раздачи пищи;
(3) сбор и очистка канализационных стоков.
Многие связывают снижение заболеваемости с успехами современной медицины, но благодарить, прежде всего, стоит санитарно-гигиенические правила, часто воспринимаемые как что-то само собой разумеющееся.
Снижение содержания растворенного кислорода.
Сброс неочищенных канализационных стоков в водоемы не только чреват опасностью инфекционных заболеваний, но и может стать причиной снижения содержания растворенного в воде кислорода и деградации водных экосистем.
Органическое вещество, присутствующее в стоках, охотно поедается редуцентами и детритофагами, которые поглощают кислород в процессе дыхания. Когда детрита избыток, эти организмы потребляют растворенный кислород быстрее, чем он пополняет систему, и его запасы истощаются. Концентрацию органики в канализационных стоках часто выражают биологической потребностью в кислороде (БПК), т.е. количеством кислорода, которое потребуется редуцентам, чтобы разложить поступившее вещество.
Истощение запасов растворенного кислорода не наносит вреда самим бакттериям-редуцентам, так как они способны к анаэробическому дыханию и брожению. Анаэробные (лишенные кислорода) водоемы не только не могут поддерживать жизнь рыб, моллюсков и ракообразных, но и дурно пахнут, так как у многих продуктов бескислородного метаболизма весьма неприятный запах. Этим же обусловлен столь характерный запах канализационных стоков.
Кроме того, истощение запасов растворенного кислорода может увеличить опасность микробного заражения. Многие патогенные организмы гораздо дольше живут в анаэробных условиях. В среде, богатой кислородом, они быстро погибают или съедаются другими организмами.
Сбор и очистка сточных вод.
Первичные стоки.
Санитарная канализационной системы объединяет все сточные трубы от расположенных в зданиях раковин, ванн и т.д., как ствол дерева объединяет все его ветви. Из основания этого «ствола» вытекает смесь всего, что попало в систему, - исходные стоки, или исходные сточные воды. Так как мы используем огромный объем воды для удаления мизерных количеств отходов или просто льем ее без особой нужды, в первичных стоках на каждую часть отходов приходится примерно 1000 частей воды, т.е. в них 99,9% воды и 0,1% отходов. С добавлением ливневых вод разбавление еще более увеличивается. Но отходы или загрязнители первичных стоков имеют огромное значение. Их подразделяют на три категории.
(1) Мусор и песок. Мусор – это тряпки, пластиковые пакеты и прочие предметы, попадающие в систему из туалетов или через ливнестоки, если те еще не отделены. К песку условно относят и гравий; их приносят в основном ливнестоки.
(2) Органическое вещество, или коллоиды. Это как живые организмы, - патогены и непатогенные бактерии-редуценты – так и неживая органика экскрементов, пищевых отходов и волокон тканей и бумаги. Термин коллоиды означает, что этот материал не оседает, а обычно остается взвешенным в воде.
(3) Растворенные вещества. Это в основном биогены, такие как соединения азота, фосфора и калия из продуктов жизнедеятельности, обогащенные фосфатами из детергентов.
Этапы очистки.
Чтобы очистка была полной, водоочистные сооружения должны устранить все названные категории загрязнителей. Мусор и песок удаляются на этапе предочистки.
Сочетание первичной и вторичной очистки позволяет избавиться от коллоидного материала. Растворенные биогены устраняются при помощи доочистки.
Необходимо также иметь в виду, что обработка стоков в каждом конкретном случае не обязательно должна включать в себя все четыре этапа. Чаще всего они дополняют друг друга в зависимости от обстоятельств. Следовательно, в некоторых местах в водоемы все еще сбрасывают просто исходные стоки, в других - осуществляют только первичную их очистку, кое-где проводят вторичную, и лишь немного городов осуществляет доочистку водостоков.
Предочистка. Мусор и песок обычно засоряют систему и тормозят дальнейшую очистку стоков. Поэтому их устранение считается ее предварительным этапом. От мусора избавляются, пропуская исходные стоки через стержневую решетку, т.е. ряда стержней, расположенных на расстоянии около 2,5 см. друг от друга. Затем мусор механически собирают с решетки и отправляют в специальную печь для сжигания. Очищенная от мусора вода попадает в песколовку, или пескоотстойник, - емкость, напоминающую плавательный бассейн, где движение воды замедляется настолько, что песок оседает; затем он механически извлекается оттуда и вывозится на свалку.
Первичная очистка. После предочистки вода проходит первичную очистку – медленно пропускается через крупные баки, называемые первичными отстойниками. Здесь она в течение нескольких часов остается почти неподвижной. Это позволяет самым тяжелым частицам органического вещества, составляющим 30-50% его общего количества, осесть на дно, откуда их собирают. В то же самое время жирные и маслянистые вещества всплывают к поверхности, и их снимают как сливки. Весь этот материал называется ил-сырец.
При первичной очистке всего-навсего «заливают грязную воду в сосуд, дают отстояться и сливают». Тем не менее это позволяет устранить значительную часть органического вещества при минимальных затратах. Вода, покидающая первичные отстойники, все еще содержит 50-70% не осевших органических коллоидов и почти все растворенные биогены. Вторичная очистка предусматривает устранение оставшегося органического вещества, но не растворенных питательных элементов.
Вторичная очистка. Эту очистку называют также биологической, так как в ней участвуют живые естественные редуценты и детритофаги, потребляющие органическое вещество и в процессе дыхания превращающие его в воду и углекислый газ. Обычно применяются два типа систем: капельные биофильтры и активный ил.
В системах с капельным биофильтром вода разбрызгивается и стекает струйками по слою камней величиной с кулак, толщина которого 2-3 м. Как и в естественных ручьях, в этих условиях функционирует сложная экосистема, включающая бактерии, простейших коловраток, различных мелких червей и других прикрепленных к камням детритофагов. Они буквально выедают из протекающей воды все органическое вещество, включая патогенов. Организмы, случайно смытые с биофильтров, позднее устраняются из воды, когда она попадает во вторичные отстойники-емкости, аналогичные первичным отстойникам. С отстоявшимся в них материалом поступают, как и с илом-сырцом. Пройдя первичную очистку и капельные биофильтры, сточные воды теряют 85-90% органического вещества.
Все более широкое распространение получает еще один метод вторичной очистки – система активного ила. В этом случае вода после первичной очистки поступает в резервуар, где могли бы разместиться несколько припаркованных друг за другом трейлеров. Смесь детритофагов, называемая активным илом, добавляется в воду, когда та поступает в резервуар. По мере движения по нему она интенсивно аэрируется, т.е. создается богатая кислородом среда, идеальная для развития этих организмов. В ходе их питания количество органического вещества, включая патогенные микроорганизмы, уменьшается.
Покидая аэрационный резервуар, вода содержит множество детритофагов, поэтому ее направляют во вторичные отстойники. Так как организмы обычно собираются в кусочках детрита, осадить их относительно несложно; осадок представляет собой тот же самый активный ил, который снова закачивают в аэрационный резервуар. Таким образом, детритофаги рециклизуются, а вода очищается от органического вещества на 90-95%. Излишки активного ила, накапливающиеся в процессе размножения организмов, обычно объединяют с илом-сырцом и в дальнейшем обрабатывают их вместе.
Системы вторичной очистки не устраняют растворенных биогенов. До двух последних десятилетий не ощущалось острой необходимости осуществлять дополнительную очистку воды уже после вторичной. Воду после нее просто дезинфицировали хлоркой и сбрасывали в естественные водоемы. Такая ситуация преобладает и сейчас. Однако по мере обострения проблемы эвтрофизации все больше городов вводят еще один этап - доочистку, устраняющую биогены.
Доочистка. После вторичной очистки вода поступает на доочистку, устраняющую один или более биогенов. Для этого существует множество способов. На 100% воду можно очистить дистилляцией или микрофильтрованием. Однако это требует больших затрат. Суммарный объем стоков – около 150 галлонов в день на человека. Очистка такого количества воды названными методами слишком расточительна, поэтому в настоящее время разрабатываются и внедряются более доступные способы. Например, фосфаты можно устранить, добавив в воду известь (ионы кальция). Кальций вступает в химическую реакцию с фосфатом, образуя при этом нерастворимый фосфат кальция, который можно удалить фильтрованием. Если избыток фосфата – основная причина эвтрофизации, этого уже достаточно.
При соответствующей доочистке можно добиться того, что в конечном итоге получится вода, пригодная для питья. Многие люди бледнеют при мысли о вторичном использовании канализационных стоков, но стоит вспомнить о том, что в природе в любом случае вся вода совершает круговорот. Фактически соответствующая доочистка может обеспечить воду лучшего качества, нежели получаемая из рек и озер, не редко принимающих неочищенные канализационные стоки.
Дезинфекция. Какой бы тщательной очистке не подвергались сточные воды, обычно их все равно дезинфицируют хлорированием перед сбросом в естественные водоемы, чтобы уничтожить патогенные организмы, которые могли выжить. Использование для этого газообразного хлора (Cl2) влечет за собой определенные экологические проблемы, требующие обсуждения. Хлор используют из-за его эффективного действия и относительной дешевизны. Однако он очень ядовит, и его транспортировка небезопасна для людей. Кроме того, хлор еще более токсичен для некоторых рыб. Оказалось, что даже не улавливаемое измерительными приборами его содержание оказывает пагубное влияние на их икру и развитие эмбрионов. Наконец, некоторые количества хлора самопроизвольно вступают в реакции с органическими веществами с образованием хлорированных углеводородов, т.е. органических молекул, включающих в себя атомы хлора. Многие из этих соединений токсичны и биологически не разлагаются, а некоторые способны даже вызвать рак, нарушения внутриутробного развития и поражать систему размножения.
Существуют более безопасные дезинфицирующие средства, например озон (O3). Он чрезвычайно губителен для микроорганизмов и, воздействуя на них, распадается на газообразный кислород, что улучшает качество воды. Однако озон не только токсичен, но и взрывоопасен.
Предлагается также воздействовать на воду ультрафиолетовым или другим излучением, убивающим микроорганизмы, но не оказывающим никакого побочного явления.
Кроме того, после хлорирования можно добавлять в воду другие вещества, например диоксид серы, которые, реагируя с хлором, образуют безвредные неактивные соединения.
МОРЕ,КОТОРОЕ 150 ЛЕТ ИСПОЛЬЗУЕТСЯ КАК СВАЛКА.
В этой связи полезно вспомнить отчет,составленный в 1972г. С.А. Гер-
лахом, профессором Бремерхафенского института морских исследований. В отчете рассматривалось общее воздействие загрязнения на живые
организмы и пищевые цепи моря. "Прилегающие Северному морю промышленно развитые страны уже более 150 лет используют море и впадающие в него реки как свалку.Здесь сильно развито и
судоходство.Правда и фауна и флора еще существуют и рыболовство не пострадало,лишь местами наблюдаются случаи острого и хронического отравления.Птицы,соприкаснувшиеся с нефтью,вылевшийся из танкеров,гибнут,так как нефть замасливает их перья,а если она свежая,то действует и как яд. Рыба гибнет там,где в воду попадают ядовитые отходы производства средств защиты растений или соединения меди-например,у голландского и датского побережий. Когда,например,у Роттердама в море попали остатки инсектицида дильдрина, рыба не погибла, но в ней накопилось столько яда,что стали умирать крачки, питавши- еся исключительно отравленной рыбой. Популяция этих морских птиц значительно сократилась. На голландском побережье в 1954г. гнездилось 40 тысяч супружеских пар крачек,а к 1966г.это количество упало до 1200. В открытом море время от времени наблюдаются большие количества снулой рыбы.Связана ли гибель рыбы со сбросом в море сильно ядовитых промышленных стоков-доказать трудно". Тем не менее известно,что морским организм вредят даже очень малые концентрации органических соединений ртути и кадмия, а также хларированные углеводороды. Эти вещества,применяющиеся как инсектициды и как сырье для химической промышленности,опасны для морских организмов даже в
очень слабой концентрации."Поэтому надо предотвратить дальнейший рост концентрации этих веществ в Мировом океане. Пока их концентрации в 10-100 раз ниже тех которые могут вызвать опасение" Но многие тя желые металлы и трудноразложимые хлорированные углеводороды лег- ко
растворимы в живых веществах,содержащихся в клетках животных и
растений,и потому накапливаются внутри организмов.Например,морские черви и моллюски могут даже при очень низкой концентрации в морской воде ДДТ накопить в своих тканях немалые дозы этого яда.Так же активно морские животные накапливают ртуть, а по некоторым данным-и
свинец. "Неудивительно,что самые высокие концентрации ядов
обнаруживаются в крупных, долго живущих морских животных, питающихся рыбой средней величи ны. Так в килограмме жи ра тюленей, живущих у британских берегов, содержится 10-40 мг ДДТ,в килограмме жира финских нерп-74-210 мг ртути.Опасаются, что именно с накоплением ядов связано наблюдающееся сейчас падение численнос ти тюленей на побережье
Северного моря и морских птиц в Ирландском море. Если в пеликаньих яйцах содержится хотя бы 4 мг\кг ДДТ,их скорлупа заметно
утоньшается.Такие яйца часто раздавливаютсянасиживающей их самкой пеликана. Калифорнийские пе ликаны,в яйцах которых среднее содержание ДДТ дошло до 71 мг\кг, уже с 1969г. не могут размножатся и вымирают. Та же судьба ожидает морских птиц и в других районах, если концентрация ДДТ в морской воде, а значит, и в рыбе, которой питаются
птицы, хотя бы не намного повысится". В 1980г. в Бонне Совет экспертов по вопросам окружающей среды опубликовал подробный отчет о
состоянии моря, в котором содержалось предостережение ; в любой
момент " неф тяная чума " может охватить всю Гельголандскую бухту, которая и так из-за множества других загрязнений "уже находится под серьезной угрозой" Федеральный научно-иследовательский институт
рыболовства сообщает, что в тех районах Северного моря,где высока концентрация загрязнений, многие особи камбалы поражены опухолями. Зоологи считают, что можно встретить и тюленей с крупными опухолями брюха. Изменение флоры и фауны нередко можно выявить только с помощью тонких современных приборов, например элек тронного микроскопа или газового хрома тограф.Известно,что в устье Эльбы уже давно
обнаруживаются радиоактивные вещества,попадающие туда из сточных вод французских и британских заводов по переработке ядерного горючего-в город(на берегу Ла-Манша) ,в Даунрее (на севере Шотландии) и в Уиндскейле (на берегу Ирландского моря). радиоактивные частицы цезия и стронция за пятнадцать месяцев доносятся течениями из Бретани к берегам Германии и через Скагеррак даже попадают в Балтику. Но какое нам дело,спросят многие из нас,что некие черви,живущие в грязи ра берегу моря,скажем близ устья реки Везер,содержат большое количество ядовитых веществ,выброшенных с каких-то заводов? Однако океанологи и экологи думают иначе.Они расматривают такие данные как пред вестники
близких несчастий.Ведь если эти черви представляют собой одно из
звеньев пищевой среды,ведущей к человеку,то яд,накапливаясь от звена к звену ,в конце концов может вызвать катастрофу ,подобную той ,которая разразилась в 50-х годах в японской бухте Минамата ,когда погибли десятки и заболели тысяча людей ,питавшихся рыбой,в тканях которой накопилась ртуть. Если признаки грозящей катастрофы более угрожающи,чем в случаях с пребрежными червями,виновники загрязнения стараются замять дело или представить всё в безобидном свете.Примеров множество. Так,однажды западноевропейские химические фирмы заявили ,что ядовитые отходы производства они вывезли в Сингапур,а груз туда почему-то не прибыл.В другой раз репортёрам препятствовали заслонять выход в море ранним утром судна с отходами производства.Капитан одного судна приказал,в нарушении запрета,выкачать за борт льяльные
воды близ берега,на другом судне подделали записи в бортовом
журнале,чтобы скрыть сброс в море несколько тонн нефти , оставшихся в трюме,на третьем тоже самое проделали с химикатами. Рыба,выловленная в Северном море ,часто оказывается непригодной для сбыта :вряд ли
покупатель купил бы камбалу с красными опухалями на теле ,угря с опухолью величиной с голову человека,корюшку с нарывами на плавниках или скумбрию с отверстиями в живо те.Рыбакам нередко приходится выбрасывать за борт больную рыбу,иногда окло 30% своего улова. Но даже спецыалисты пока не могут дать окончательное и подробное заключение о масштабах ,причинах и последствиях загрязнения моря.Уже упоминавшийся Совет экспертов по вопросам окружающей среды в своем заявлении основывается в значительной мере"на оценки и теоретических расчётах".Пока не существует крупромасштабных международных программ по выявлению и измерению загрязнению моря,а потому ученым не хватает надёжных и доказательных чифр и фактов. К сожалению,действие отдельных химикатов на морскую фауну и флору в большинстве случаев изучено слабо ,а их взаимодействие практически не известно."В
окружающую среду попадает из-за деятельности человека тысяч различных химические веществ ,и мы не можем ска- зать ,как они реагируют между собой в природе",-говорит зоолог Дрешер из Киля. Такая
неопределённость заставила специалистов-экологов сделать вывод: "Пока не начались катастрофические события и опастные экологические нарушения ,политики,видимо,не ощушают на себе давления,которое могло бы побудить их вов ремя принять некоторые эколого-политические меры".Но когда признаки загрязнения моря станут настолько явными,что о них начнут говорить неспечиалисты ,может оказаться уже
поздно."Вред,нанесённый к тому времени всей экосистеме Северного моря ,может стать необратиммым".
КАК НЕФТЬ ПОПАДАЕТ В МОРЕ?
Пока это ещё не случилось.Но в любой момент у берегов Германии может потерпеть аварию один из супертанкеров.Такая катастрофа приведёт к тому,что все живое в воде и на берегу будет задушено нефтяным ковром или химикатами. Опасность "нефтяной чумы" нигде так не ве лика,как в районе между Эльбой и Темзой.На этот участок ,где ежегодно провозится около полумиллиарда тонн сырой нефти и нефтепродуктов,приходится 50% случае всех столкновений судов водоизмещением свыше 500 регистровых тонн.Угрожают морю и тысячи километров трубопроводов ,по которым течет нефть.Бывают и аварии на буровых платформах. Чтобы показать ,какие последствия для Германии может вызвать крупная авария танкера в Северном море,специалисты по охране среды подробно изучили
случай,когда огромный танкер "Торри Кэньон" разбился на скалистом побережье Корнуолла. Это произошло 18 марта 1967г.Для уничтожения кувейтской нефти,пролившейся в море и на берег,применили так называемые диспергаторыхимических соединений,разбивающие сплошной
слой нефти на мелкие капли. Катастрофа погубила мелких обитателей побережья -улиток,морских желудей ,от склеивания нефтью перьев
погибли тысячи чаек.Прошло два года ,пока живой мир побережьяв тех местах,где нефть выбросило на берег,хоть чуть-чуть восстановился.А там ,где применяли диспергаторы,до восстановления флоры и фауны прошло десятилетие:противоядие оказалось хуже яда. Если нефть покроет пологие болотистые берега юго-восточной части Северного моря
,последствия будут гораздо хуже.Этот отрезок берега от датского
Эсбьерга до голландского Хелдера-уникальный район Мирового океана.На илистых отмелях и в узких проходах между ними обитает множествщ мелких морских животных.Здесь гнездятся и находят себе пищу миллионы морских птиц,не рестятся различные виды рыб,здесь перед выходом в открытое море откармливается их молодь.Нефть уничтожает всё. Общественность обоснованно уделяет большое внимание катастрофам
танкеров ,но нельзя забывать ,что и сама природа загрязняет моря нефтью.По распостранённой теории нефть ,можно скозать зародилась в море.Так,считают ,что она возникла из остатков мериад мельчайших морских организмов,после гибели осевшех на дно и погребённых
позднейшими геологическими отложениями. Сейчас дитя угрожает жизни матери.Использование нефти человеком ,её добыча в море и перевозка по морю-всё это часто рассматривается как смер тельная опастность для Мирового океана.Но какими путями нефть попадает в море? Что с ней там происходит ,как она действует на флору и фауну?Какие усилия предпринимаются правительствами и нефтяными концернами для того ,чтобы сократить загрязнение моря нефтью? В 1978 г.в мире было около 4 тыс. танкеров,и они перевезли по морю примерно 1700 млн.т нефти (около 60% мирового потребления нефти). Сейчас приблизительно 450 млн.т сырой нефти(15%мировой добычи в год) поступает из месторождений,находящихся под морским дном. Сейчас за год добывается из моря и перевозится по нему более 2 млрд.т нефти.По оценкам Национальной академии наук США,из этого колличества в море попадает 1,6млн.т,или одна тысяча трехсотая часть. Но эти 1,6млн.т составляют лишь 26%той нефти,которая в сумме попадает за год в мо ре.Остальная нефть,примерно три четверти общего загрязнения,поступает с судов судов-сухогрузов(льяные воды ,остатки горюче-смазочных материалов, случайно или намеренно сбрасываемые в море),из природных источников,а больше всего-из городов,особенно с предприятий,расположенных на побережье или на реках ,впадающих в море.Судьбу нефти,попавшей в море,невозможно описать во всех подробностях.во-первых,минеральные масла,попадающие в море,имеют разный состав и разные
свойства;во-вторых,в мо ре на них действуют разные факторы:ветер различной силы и направлений,волны,температура воздуха и воды.Важно и то, много ли нефти попало в море.Сложные взаимодействия этих факторов ещё не изучены во всей полноте. Когда вблизи берега терпит аварию танкер ,гибнут морские птицы:нефть склеивает их перья.Страдают
пребрежная фауна и флора,пляжи,а скалыпокрываютсятрудно удаляемым слоем вязкой нефти.Если же нефть выбрасывается в открытое
море,последствия бывают совершенно иными.Значительнае массы нефти могут изчезнуть,не дойдя до берега.
Например,при уже упоминавшейся
аварии танкера "Торри Кэньон" из груза сырой нефти в 120 тыс.т 60-70 тыс. т частично уничтожены благодаря быстро принятым мерам,частично оказались выброшены на берег Англии и Франции.В проливе Санта-Барбора у Калифорнии уже многие века в море просачивается из трещин и расселин в морском дне ежегодно 3000 т нефти одноко загрязнения у берегов не наблюдается. Сравнительно быстрое поглощение нефти
обьясняется несколькими причинами. Нефть испаряется.Бензин полностью испа ряется с поверхности воды за шесть часов.За сутки испаряется не менее 10% сырой нефти ,апримерно за 20 дней -50%.Но более тяжелые нефтипродукты почти не испаряются. Нефть эмульгируется и
диспергируется,то есть разбивается на мелкие капельки.Сильное волнение моря способствует образованию эмульсии нефти в воде и воды в нефти.При этом сплошной ковёр нефти разрывается,превращается в мелкие капельки,плавающие в толще воды. Нефть растворяется.В её составе имеются вещества,растворимые в воде,хотя их доля в общем невелика. Нефть ,изчезнувшаяблагодаря этим явлениям с поверхности
моря,подвергается медленным процессам,ведущим к её
разложению,-биологическим, химическим и механическим. Немалую роль играет биологическое разложение. Известно более ста видов
бактерий,грибков,водорослей и губок,способные превращать углеводороды
нефти в двуокись углерода и воду.Вблагоприятных условиях благодаря деятельности этих организмов на квад ратном метре за сутки при температуре 20-30град. разлагается от 0,02 до 2 г нефти. легкие фракции углеводородов распадаются за несколько месяцев,но комки
битума изчезают лишь через несколько лет. Идет фотохимическая
реакция.Под действием солнечного света углеводороды нефти окисляются кислородом воздуха,образуя безвредные,растворимые в воде вещества. Тяже лые остатки нефти погут тонуть.Так,те же комки битума могут так плотно заселяться мелкими сидячими морскими организмами, что через некоторое время опускаются на дно. Играет роль и механическое разложение.Со временем комки битума становятся ломкими и
разваливаются на куски. Больше всего страдают от нефти птицы
,особенно когда загрязняются прибрежные воды.Нефть склеивает
оперенье,оно утрачивает теплоизолирующие свой ства,и,кроме того,
птица,выпачканная в нефти , не может плавать.Птицы замерзают и тонут.Даже чистка перьев растворителями не позволяет спасти всех пострадавших.Остальные обитатели моря страдают меньше.Многочисленные исследования показали,что нефть,попавшая в море,не создаёт ни
постоянной,ни долговременной опастности для живущих в воде орга низмов и не накапливает в них,так что её попадение в человека по пищевой цепи исключено. По последним данным,значительный вред флоре и фауне может быть нанесен только в отдельных случаях.Например,гораздо опаснее сырой нефти изготовленные из нее
нефтепродукты-бензин,дизельное топливо и так далее.Опасны высокие концентрации нефти на литора- ли(приливно-отливной зоне),особенно на песчаном берегу этих случаях концентрации нефти долго остается вы-сокой,и она наносит много вреда.Но к счастью такие случаи
редки.Обычно при катастрофах танкеров нефть быстро расходится
воде,разбавляется,начинается её разложение.Показа- но,что
углеводороды нефти могут без вред для морских организмов проходить через их пищеварительный тракт и даже через ткани:такие опыты
проводились с крабами,двустворчатыми моллюсками,разными видами мелкой рыбы,и никаких вредных последствий для подопытных животных не было обнаружено. Как уже говорилось,судьба нефти ,попавшей в море у берега и вдали от берегов, различна.При катастрофе в открытом море не требу-ется каких-либо мер по борьбе с нефтью.Там её слой ,как правило быстро разбивается волнами и ветром,а затем подвергается ес тественным процессам разложения.Другое дело разлив нефти вблизи
берегов.Здесь надо действовать быстро,от этого зависит успех принятых мер.Главное-опытное и эффективное руко водство всеми мероприятиями по борьбе с бедствием,но результат будет зависеть также от
географических и метео рологических условий на месте катас- трофы. Насколько это возможно,груз из потерпевшего аварию танкера стараются перекачать на другие судна,чтобы предотвратить или хотя бы уменьшить загрязнение моря.Если на море штиль или волнение невелико,аварийный танкер окружают загородками(бонами) из плавающих надутых воздухом шлангов,которые препятствуяют дальнейшему распространению нефтяного пятна и позволяют вычерпать или собрать насосами пролившаюся
нефть.Существует целый ряд эффективных технических систем для сбора разлившейся нефти ,но они могут работать при относительно спокойном море.Различные фирмы и государственные предприятия Германии и других стран мира разрабатывают системы,которые можно применять и в
штормовую погоду. Действию этих механических систем
помогают-химические средства дипергаторы.Они усиливают действия ветра и волн на слой нефти.Опрыскивая его диспергаторами,можно добиться разделения сплошного слоя на мелкие капли ,которые вскоре исчезают с поверхности .Этим устраняется опасность для птиц и вероятность загрязнения пляжей.Кроме того,диспергаторы ускоряют биологическое
разложение нефти,так как многочисленные мельчайшие ка пельки
представляют бактериям огромную поверхность для заселения и
воздействия.Правда, биологи опасаются,что поглощение таких капелек
мелкими морскими организмами приносит последним вред.Но этот вопрос нуждается в дальнейшем иэучении. Пытаются также сжигать разлившуюся нефть или засыпать её известью, песком и другими веществами,захватывающими её и погружающими вместе с ней на дно.Но успех этих методов пока ограничен.
Проблема Северного моря в конце
концов лишь частный случай, к тому же экстремального характера,учитывая большую техногенную и транспортную нагрузку.Может быть ,в пределах более крупных акваторий дела обстоят лучше? Вряд ли ,ибо уже теперь в среднем около 10% акватории Северной Атлантики постоянно покрыто нефтяной пленкой,и,как показали наблюдения в 1976-1981 гг.,тенденции к уменьшению этого загрязнения не наблюдается. Наиболее загрязнены пленкой нефти зоны,расположенные между 10 и 50 град.,с максимальными очагами в юго-западной части Саргассова моря и в Кадисском заливе(35%случаев наблюдения),а также на западноафриканском шельфе (25%).Согласно прогнозу Государственного океанографического института(ГОИН) к 2000году по сравнению с 1985г площадь покрытия нефтяной пленкой увелится в 2 раза.