Физика окружающей среды

А. П. Рыженков, 2018

В основу этой книги легли лекции автора для студентов физико-математического факультета по разработанному им спецкурсу «Физика и экология» Обсуждается экологическая ситуация в мире и России в связи с развитием научно-технической революции, с позиций физики анализируются физические процессы в атмосфере, гидросфере и литосфере и влияние на них деятельности человека. Рассматривается использование достижений современной физики в решении глобальных экологических проблем, эффективном использовании природных ресурсов, загрязнении окружающей среды. В формате a4.pdf сохранен издательский макет.

Глава 2. Биосфера — «машина» циклов

Родная земля — самое великолепное, что нам дано для жизни. Ее мы должны возделывать, беречь и охранять всеми силами своего существа.

К. Паустовский

Элементы экологии. Наука, изучающая взаимодействие живых организмов с окружающей средой — экология получила свое название от др. греческих οίκος — обиталище, дом и λόγος — наука.

Составляющие окружающей среды, специфические для данного вида живого организма, обеспечивающие его развитие и воспроизводство характеризуют экологическую нишу этого вида. Такой нишей могут быть океан, опушка леса, капля воды. Совокупность неорганической основы, климатических условий (экотоп) и живых организмов (биоценоз) представляет экосистему (рис. 2). В экотоп входят климат, вода, почва, элементы ландшафта, воздух. Биоценоз составляют живые организмы, (зооценоз), растения (фитоценоз) и микроорганизмы (микробиоценоз). Для полноты компонентов составляющих экотоп, необходимо включить солнечное излучение, электромагнитный и акустический фон, а также, космическое излучение. Биоценоз и экотоп эволюционируют, воздействуя друг на друга через систему связей. Эти связи показаны стрелками, и механизм этого взаимодействия и представляет предмет экологии.

Стрелки-связи показывают направление потоков перетекания энергии и вещества поддерживающих устойчивое биологической и физическое состояние экосистемы.

Большой вклад в развитие экологии внес академик В. И. Вернадский. Он расширил ее границы, введя в систему связей экосистемы человеческий (антропогенный) фактор и понятие о ноосфере. Он определил ноосферу как совершенно новый объект научного познания, так как «это не просто общество, существующее в определенной среде, служащей пассивным поставщиком вещества и энергии и сохраняющейся в самой себе равном состоянии. Это нечто иное, целое, в котором сливаются развивающееся общество и изменяющаяся природа, взаимодействующие самым тесным образом. Можно сказать, что здесь действуют особые закономерности, в которых сложнейшим образом переплетаются законы неживой и живой природы, законы общества и законы человеческого мышления» [4].

Рис. 2. Схема экосистемы

Явления, происходящие в биосфере, взаимоотношения между частями биосферы и экосистем и внутри каждой из них подчиняются определенным закономерностям и могут быть описаны в виде законов. Законы эти в отличие от физических трудно формализуются, может быть, в силу большой сложности описываемых явлений, а может быть, потому, что физика и биология пользуются разными представлениями о структуре окружающего пространства.

Биосфера, по определению В. И. Вернадского, это живая оболочка Земли, область распространения жизни. Нижняя граница биосферы — донные отложения океана, верхняя граница — озоновый экран, выше которого ультрафиолетовое излучение исключает существование живых организмов. Реально верхняя граница проходит на высоте 5–6 тыс. м., там, где в скалах могут обитать лишь мхи и микроорганизмы. Таким образом, толщина биосферы составляет около 15 км. В сравнении с радиусом Земли это очень малая величина, а на модели Земли, например, с радиусом в 1 м она будет выглядеть, как тончайшая пленка толщиной 0,2×10^–3 м. Так же она и представляется космонавтам, их всегда удивляет наблюдаемая тонкость атмосферы.

Рассмотрим основные элементы биосферы — воду, воздух, почву теперь с позиций экологии как среду и ресурсы, обеспечивающие жизнь на Земле.

Круговорот воды в биосфере. Вода это составная часть всех элементов биосферы — не только водоемов, но и воздуха, почвы, живых существ, в которых под влиянием энергии Солнца и жизнедеятельности поддерживается определенный баланс воды. Механизм, поддерживающий этот баланс — круговорот воды. Мировой баланс воды — величина довольно стабильная, на что еще обратил внимание Аристотель в «Метеорологии». Балансы отдельных элементов биосферы, например континентальных и океанских вод, непостоянны из-за изменения режима осадков, связанных с глобальными изменениями климата (ледниковые периоды). Для существования жизни и развития человеческой цивилизации наиболее важно частью в этом балансе являются пресные воды, которые составляют речной сток, содержатся в озерах и подземных горизонтах, 85 % пресной воды планеты сосредоточено в ледниках.

Ежегодный объем воды, который может использовать человечество, составляет 37,3 тыс. км³ (речной сток) и часть подземных вод, запасы которых — 13 тыс. км³. Сами по себе эти цифры ничего не говорят, кроме того, что это большие величины. Для их оценки необходимо сравнить их с потребностью человечества в воде. Из имеющихся данных по расходу воды (в км³) на 1975 год [5] видно, что потребности уже сравнимы с природными запасами.

Таблица 3

Потребление воды, 1975

С учетом быстрого роста населения и уровня загрязнения вод прогноз об исчерпании запасов пресных вод в мире в начале XXI века представляется вполне реальной. Потребность в воде в настоящее время не удовлетворяется у 20 % городского и 15 % сельского населения мира.

Вода на суше распределена неравномерно, огромные площади занимают вододефицитные земли: аридные, пустыни, полупустыни. Не всегда вода имеется там, где располагается потребитель. Например, в СССР из 1000 км воды, пригодной для потребления, только 20 % располагалось там, где потребность в ней самая высокая. Усложняют водоснабжение и сезонные изменения стока вод в периоды паводков и половодий. Речной сток измеряется в м³/с и характеризуется гидрографом. Сток характерный для рек европейского типа, например, как Луара во Франции, изменяется от 50 м³/с в зимнее время до 4000 м³/с во время паводков.

Знание гидрографа рек важно для планирования хозяйственного водопотребления, особенно в энергетических целях. Для человека паводки представляют значительное неудобство, а порой к опасность. Однако, нужно знать, что паводки играют большую роль для здоровья самой реки и всех ее обитателей. Зарегулирование рек дамбами и плотинами изменяет речной сток и наносит большой ущерб экосистемам рек. К сожалению, не подсчитывается соотношение между ущербом, нанесенным реке строительством ГЭС и энергетической выгодой. Не исключено, что в ряде случаев расчет окажется не в пользу ГЭС.

До появления биосферы круговорот воды в природе осуществлялся только за счет испарения поверхностных вод водоемов и суши. В этом процессе существуют два круговорота: малый, в котором испарившаяся вода проливается прямо над океаном, и большой, когда облака уносятся ветром в сторону суши и пролившиеся дожди возвращаются в океан в виде поверхностного и речного стока (рис. 3).

В среднем, в год с поверхности всех водоемов испаряется около 0,5 млн. км³ или 0,5¹⁵ т. Более 90 % этого количества возвращается в океан с атмосферными осадками и лишь 10 % выпадает в виде осадков на поверхности материков. В некоторых конкретных случаях количество испаренной воды и скорость испарения столь велики, что не восполняются поверхностными стоками. Например, сток воды в Средиземное море не восполняет количества воды испаренной с его поверхности, поэтому в Гибралтаре течение направлено всегда из Атлантики. Речная вода обновляется за счет испарения с циклом в 10–12 суток.

Рис. 3. Большой круговорот воды

Современный круговорот воды происходит с участием биосферы и человека. Цикл его таков: вода, испаренная с поверхности водоемов, почвой, растениями, животными, конденсируется, образуя облака, и выпадает в виде осадков. Часть ее попадает в водоемы непосредственно, часть питает подземные воды, часть потребляется животными и растениями и возвращается опять в мировой океан уже как продукт жизнедеятельности.

Сравнение двух круговоротов воды показывает, как усложнилась структура круговорота включением в него биоценозов и человека. Транспирация или дыхание растений и животных, внесло очень заметный вклад в водный цикл. Так, с единицы поверхности леса испаряется значительно больше воды, чем с такой же поверхности моря. Количество испаренной воды зависит от вида растений и типа почвы — сухая она или влажная. Подсчитано, что с гектара березового леса ежедневно испаряется 47 000 л воды, с гектара елового леса около 43 000 л. В среднем с гектара леса в год испаряется от 2000 до 6000 м³

Конец ознакомительного фрагмента.