Лекции по экологии. Лекция тема наукаэкологи я. План лекции Предмет. Цели и задачи. Методология. Структура и отрасли
 Скачать 0.87 Mb.
|
АтмосфераСО2 СО2 Гидросфера  А  тмосфера                 Живые организмы      ЛитосфераОрганическийуглерод Известняки идоломиты Органическийуглерод Известняки идоломиты   Рис.2 Замкнутый углеродный цикл в биосфере ГИДРОСФЕРА. Составляет около 4% массы земной коры и ее средняя мощность равна 3,8 км. На массу океанической воды приходится 97% массы всей гидросферы (2*1021кг). Роль океана в жизни биосферы огромна: в нем протекают основные химические реакции, обуславливающие производство биомассы и химическую очистку биосферы. Так, за 40 дней поверхностный пятисотметровый слой воды в океане проходит через фильтрационный аппарат планктона, следовательно (с учетом перемешивания) в течение года вся океаническая вода океана подвергается очистке. Все составляющие гидросферы (водяные пары атмосферы, воды морей, рек, озер, ледников, болот, подземные воды) находятся в непрерывном движении и обновлении. Вода - основа биоты (живое вещество на 70% состоит из воды) и ее значение в жизни биосферы является определяющим. Можно назвать такие важнейшие функции воды, как: 1. производство биомассы; 2. химическая очистка биосферы; 3. обеспечение углеродного баланса; 4. стабилизация климата (вода выполняет роль буфера в тепловых процессах на планете). Огромное значение мирового океана состоит в том, что он продуцирует своим фитопланктоном почти половину всего кислорода атмосферы, т.е. является своего рода “легкими” планеты. При этом растения и микроорганизмы океана в процессе фотосинтеза усваивают ежегодно значительно большую часть углекислого газа, чем поглощают растения на суше. Живые организмы океана – гидробионаты – подразделяются на три основные экологические группы: планктон, нектон и бентос. Планктон – совокупность пассивно плавающих и переносимых морскими течениями растений (фитопланктон), живых организмов (зоопланктон) и бактерий (бактериопланктон). Нектон – это группа активно плавающих живых организмов, перемещающихся на значительные расстояния (рыбы, китообразные, тюлени, морские змеи и черепахи, кальмары осьминоги и др.). Бентос – это организмы, обитающие на морском дне: сидячие (кораллы, водоросли, губки); роющие (черви, моллюски); ползающие (ракообразные, иглокожие); свободно плавающие у самого дна. Наиболее богаты бентосом прибрежные районы океанов и морей. Мировой океан – источник огромных минеральных ресурсов. Уже сейчас из него добывается нефть, газ, 90% брома, 60% магния, 30% поваренной соли и т.д. В океане имеются огромные запасы золота, платины, фосфоритов, окислов железа и марганца, других минералов. Уровень добычи полезных ископаемых в океане постоянно растет. АТМОСФЕРА – воздушная среда вокруг Земли, ее масса около 5,15*1018 кг. Газовый состав атмосферы следующий: азот (79,09%), кислород (20,95%), аргон (0,93%), углекислый газ (0,03%) и незначительное количество инертных газов (гелий, неон, криптон, ксенон), аммиака, метана, водорода и др. В нижних слоях атмосферы (20 км) содержится водяной пар, количество которого с высотой быстро убывает. Слой озона, предохраняющий живые организмы от вредного коротковолнового излучения, расположен на высоте 20-25 км. Выше 100 км растет доля легких газов, и на очень больших высотах преобладают гелий и водород; часть молекул газов распадаются на атомы и ионы, образуя ионосферу. Давление и плотность воздуха с высотой убывают. В зависимости от распределения температуры атмосферу подразделяют на тропосферу (от +40 до –50оС на высотах 10-15 км), стратосферу (от –50 до 0оС на высотах около 50 км), мезосферу (от 0 до –90оС на высотах 50-55 км), термосферу (от –90 до +1500оС на высотах 200-300 км) и экзосферу (от нескольких сотен км). Неравномерность нагревания способствует общей циркуляции атмосферы, которая влияет на погоду и климат Земли. Атмосфера оказывает огромное влияние на биологические процессы на суше и в водоемах. Содержащийся в ней кислород используется в процессе дыхания организмов и при минерализации органического вещества, углекислый газ расходуется в ходе фотосинтеза автотрофными растениями, озон снижает вредное для организмов ультрафиолетовое излучение Солнца. Кроме того, атмосфера способствует сохранению тепла Земли, регулирует климат, воспринимает газообразные продукты обмена веществ, переносит водяные пары по планете и т.д. Без атмосферы невозможно существование сколько-нибудь сложных организмов. БИОТА- это совокупность всех видов растений, животных и микроорганизмов. Биота является активной частью биосферы, определяющей все важнейшие химические реакции, в результате которых создаются основные газы биосферы (кислород, азот, окись углерода, метан) и устанавливаются между ними количественные соотношения. Биота непрерывно образует биогенные минералы и поддерживает постоянный химический состав океанических вод. Ее масса составляет не более 0,01% от массы всей биосферы и ограничивается количеством углерода в биосфере. Основную биомассу составляют зеленые растения суши – около 97%, а биомасса животных и микроорганизмов – 3%. Объектом изучения экологии является взаимодействие пяти уровней биоты: живых организмов, популяций, сообществ, экосистем и экосферы. Живой организм - это любая форма жизнедеятельности. Принято подразделять все организмы на три категории: растения, животные и микроорганизмы. Популяция - это группа организмов одного вида, проживающих в определенном районе. Примеры популяций: окуни в пруду, грибы белые в лесах, население в отдельной стране или население Земли в целом. Сообщество (биологическое сообщество) - это несколько популяций, проживающих в одном месте и взаимодействующих друг с другом. Примерами являются все животные, растения и микроорганизмы, проживающие и произрастающие в лесу, пруду, пустыне или аквариуме. Экосистема - это совокупность различных видов растений, животных и микробов, взаимодействующих друг с другом и с окружающей средой таким образом, что вся эта совокупность может сохраняться неопределенно долгое время. Т.е. экосистема представляет собой функциональное единство организмов и окружающей среды. Понятие экосистемы весьма широко. Выделяют микроэкосистемы (напр., ствол гниющего дерева), мезоэкосистемы (лес, река, пруд), макроэкосистемы (море, тундра, пустыня). Границы и объем экосистем - определенная условность, т.к. между ними существует обмен веществом и энергией. Экосфера - это совокупность всех экосистем Земли. 2. Структура экосистем Несмотря на огромное многообразие экосистем, с точки зрения экологии всем им свойственна примерно одинаковая биотическая структура. Все экосистемы включают одни и те же основные категории организмов, взаимодействующих друг с другом стереотипным образом: продуценты и консументы. Продуценты, или автотрофы (самопитающиеся), - это организмы, производящие органические соединения, используемые ими как источник энергии и питательных веществ. Большинство продуцентов -зеленые растения, создающие органические вещества в процессе фотосинтеза. Растения используют солнечную энергию для получения углеводов (глюкозы, крахмала, целлюлозы) из углекислого газа. Т.е. превращают солнечную энергию в энергию химических связей органических веществ. При этом выделяется кислород - побочный продукт фотосинтеза. 6СО2 + 6Н2О hv C6H12O6 + 6O2 хлорофилл где h6,626*10-34 дж*с - постоянная Планка, v - частота колебаний, 1/с. Все углеводы делятся на две группы: простые углеводы (моносахариды, или монозы) и сложные углеводы (полисахариды, или полиозы). Общая формула моносахаридов CnH2nOn. В природе чаще встречаются пентозы C5H10O5 и гексозы C6H12O6. Гексозы: глюкоза, фруктоза, галактоза. Общая формула полисахаридов (C5H10O5)n. Полисахариды: крахмал и целлюлоза (клетчатка). Общая формула дисахаридов (биозов) C12H22O11. К ним относятся: сахароза (свекловичный или тростниковый сахар), лактоза (молочный сахар), мальтоза (солодовый сахар), целлобиоза и др. Накопленная химическая энергия, созданная в результате фотосинтеза, является прямым или косвенным источником питания для большинства организмов. Некоторые продуценты, в основном бактерии, способны поглощать из окружающей среды неорганические соединения и преобразовывать их в органические питательные вещества без солнечного света. Этот процесс наз. хемосинтезом. Консументы, или гетеротрофы (питающиеся другими) - организмы, получающие питательные вещества и необходимую энергию, питаясь напрямую или косвенно продуцентами. В зависимости от источников питания консументы, питающиеся живыми организмами, подразделяются на три класса: - фитофаги (растительноядные) - это консументы 1-го порядка, питающиеся исключительно живыми растениями. Напр., птицы, олени, зайцы, насекомые. - хищники (плотоядные) - это консументы 2-го порядка, которые питаются исключительно растительноядными животными (фитофагами), а также консументы 3-го порядка, питаются только плотоядными животными. - эврифаги (всеядные) - могут питаться как растительной, так и животной пищей. Напр., свиньи, крысы, таракана, а также человек. Консументы, питающиеся остатками мертвых растений или животных, называются редуцентами. Существуют два основных класса редуцентов: детритофаги и деструкторы. Детритофаги питаются мертвыми растительными и животными остатками, т.е. детритом, напр., грибы, раки, грифы, муравьи, шакалы, черви. Большая часть мертвой материи в экосистеме, особенно деревья и листья, проходят стадии разложения и гниения, в результате сложные органические соединения делятся на простые неорганические. Это осуществляется деструкторами (грибы и микроскопические одноклеточные бактерии). Свет Солнца   СО2 О2    Неорганическое в  ещество Продуценты      Минерализаторы- Живое  деструкторы ганическое вещество  Мертвое  органическое вещество   Захороненное Консументы органическое растительноядные вещество и плотоядные Рис.3 Функциональная структура экосистемы и потоки вещества в ней 3. Пищевые цепи В биологической структуре экосистем к числу важнейших взаимоотношений между организмами относятся пищевые. Можно проследить бесчисленные пути вещества в экосистеме, при которых один организм поедается другим, тот - третьим и т.д. Ряд таких звеньев называется пищевой цепью. Но в экологической системе практически все пищевые цепи соединены между собой и образуют сложную цепь пищевых взаимоотношений. Продуценты, консументы и редуценты - разные уровни этой общей цепи. Эти уровни называются трофическими, что означает пищевые. Пищевые цепи - это путь однонаправленного потока высокоэффективной солнечной энергии, поглощенной в процессе фотосинтеза, через живые организмы экосистемы в окружающую среду в виде низкоэффективной тепловой энергии. Пищевые цепи - это также движение питательных веществ от продуцентов к консументам и, далее, к редуцентам и обратно к продуцентам. Движение энергии в экосистемах осуществляется двумя типами пищевых сетей – пастбищной и детритной. В первой участвуют продуценты и консументы, во второй – редуценты. Все организмы, пользующиеся одним видом пищи, принадлежат к одному трофическому уровню. Продуценты – к первому уровню, первичные консументы, питающиеся продуцентами, - ко второму трофическому уровню, хищники – к третьему и т.д. Солнечная энергия по мере прохождения по цепям питания в соответствии со вторым законом термодинамики теряет свое качество, постепенно превращаясь в низкоэффективную тепловую энергию. Энергия, полученная живыми организмами, используется на каждом трофическом уровне для строительства собственной биомассы и на клеточное дыхание, в результате которого органические соединения разлагаются на углекислый газ и воду: C6H12O6 + 6O2 = 6СО2 + 6Н2О + Q Этим уравнением и уравнением фотосинтеза характеризуется “малый круг” углеродного цикла, являющийся составной частью круговорота элементов в биосфере. По мере движения энергии по пищевой цепи количество высококачественной энергии снижается. В среднем около 1% энергии высокого качества расходуется на построение собственной биомассы на каждом трофическом уровне и около 10% передается на следующий трофической уровень. Указанные соотношения известны в экологии, как “правило одного процента” и “правило десяти процентов”, а схема движения энергии по трофическим уровням получила название экологической пирамиды энергетических потоков. Каждый трофический уровень в ней изображается прямоугольником, у которого длина большей стороны пропорциональна количеству энергии, накопленной на этом уровне единицей объема в единицу времени. Поскольку количество энергии по мере движения по пищевой цепи убывает, экологическая пирамида имеет вид треугольника с вершиной, обращенной вниз. В экологии известны еще два вида пирамид - пирамиды численностей и биомасс. Пирамиды биомасс характеризуют содержание сухих органических веществ на каждом трофическом уровне. Размер каждого слоя в пирамиде пропорционален сухой массе всех организмов, обитающих на единице площади (объема) каждого уровня определенной экосистемы. Для большинства наземных экосистем суммарная биомасса снижается по мере возрастания трофических уровней, в водных экосистемах биомасса фитопланктона (продуцент) может быть меньше биомассы зоопланктона. Накопление растениями химической энергии можно считать полезной работой. Скорость, с которой накапливается химическая энергия в биомассе, называется чистой первичной продуктивностью. Она определяется, как разность между скоростью накопления энергии и скоростью использования части этой энергии в процессе клеточного дыхания. Загрязнение атмосферы Структура и состав атмосферы. Атмосфера — газовая оболочка земли. Ее масса около 5,9∙1015 т. Она имеет слоистое строение и состоит из нескольких сфер, между которыми располагаются переходные слои — паузы. В сферах изменяется количество воздуха и температура. Наиболее плотный слой воздуха, прилегающий к земной поверхности, носит название тропосферы. Протяженность ее по высоте в средних широтах составляет 10-12 км над уровнем моря, на полюсах - 7-10, над экватором - 16-18 км. В тропосфере сосредоточено более 4/5 массы земной атмосферы. Из-за неравномерности нагрева земной поверхности в ней образуются мощные вертикальные токи воздуха, отмечаются неустойчивость температуры, относительной влажности, давления и т. д. Температура воздуха в тропосфере по высоте уменьшается на 0,6° на каждые 100 м и колеблется от 40 до -50°С. Выше тропосферы находится стратосфера. Между ними расположена тро-попауза. Стратосфера имеет протяженность около 40 км. Воздух в ней разрежен, влажность невысокая. Температура воздуха от границы тропосферы до высоты 30 км постоянная (около -50°С), а затем начинает повышаться и на высоте 50 км дости-гает 10°С. В стратосфере под воздействием космического излучения и коротковол-новой части ультрафиолетового излучения Солнца молекулы воздуха ионизируются, в результате чего образуется озон. Озоновый слой находится на высоте 25–40 км. Стратопауза отделяет стратосферу от лежащей выше мезосферы. Выше мезосферы расположена термосфера (или ионосфера), между которыми имеется мезопауза. Для термосферы характерно непрерывное повышение температуры с увеличением высоты. На высоте 200 км - 500°С, а на высоте 500–600 км превышает 1500°С. В термосфере газы очень разрежены. Молекулы их движутся с большой скоростью, но редко сталкиваются между собой и поэтому не могут вызвать даже небольшого нагревания находящегося здесь тела. Под действием солнечного излечения в атмосфере протекает множество реакций, в которых участвуют кислород, озон, азот, оксид азота, пары воды, диоксид углерода. Ионизация происходит в основном на высоте 70-80 км. При этом отмечаются отрицательные и положительные ионы. Атмосфера состоит в основном из кислорода и азота. На высоте 110–120 км кислород почти весь становится атомарным. Предполагается, что выше 400–500 км и азот находится в атомарном состоянии. Кислородно-азотный состав сохраняется примерно до высоты 400–600 км.  Выше 600 км в атмосфере начинает преобладать гелий. Гелиевая корона Земли простирается примерно до высоты 1600 км, а выше 2000–3000 км преобладает водород. Структура атмосферы и изменение температуры по высоте представлены на следующем рисунке. В экологии принято обычно рассматривать два нижних слоя: тропосферу и стратосферу. Кроме того существует понятие "приземного слоя" атмосферы высотой 2 м над поверхностью суши. Атмосфера является основной составляющей биосферы, подверженной техническому воздействию. Из атмосферы загрязнение переходит на литосферу, на водную поверхность и на биоту. Для характеристики состава атмосферы и её загрязнения используется понятие концентрации "С" (мг/м3 или % об). Чистый естественный воздух имеет следующий состав (в % об): азот 78,8 %; кислород 20,95 %; аргон 0,93 %; СО2 0,03 %; прочие газы 0,01 %. Считается, что такому составу должен соответствовать воздух на высоте 1 м над поверхностью океана вдали от берегов.  Классификация источников загрязнения атмосферы. Как и для всех других составляющих биосферы, для атмосферы существуют два главных источника загрязнения: естественный и антропогенный (искусственный). Вся классификация источников загрязнения может быть представлена по вышеприведенной структурной схеме. Промышленность, транспорт, энергетика – основные источники загрязнения воздушного бассейна. По характеру воздействия на биосферу загрязнители атмосферы можно разделить на 3 группы:
Краткие характеристики некоторых загрязнителей атмосферы. К загрязнителям первой группы следует отнести СО2, закись азота, метан, фреоны. В создание "парникового эффекта" главный вклад вносит углекислый газ, концентрация которого ежегодно возрастает на 0,4%. По сравнению с серединой XIX века содержание СО2 возросло на 25%, закиси азота на 19%. Фреоны — химические соединения, несвойственные атмосфере, используемые в качестве хладагентов — повинны на 25% в создании парникового эффекта в 80-е годы. Расчеты показывают, что несмотря на Монреальское соглашение 1987 г. об ограничении использования фреонов, к 2040 г. концентрация основных фреонов существенно возрастет (хлорфторуглерода 11 на 77%, хлорфторуглерода 12 на 66%), что приведет к усилению парникового эффекта на 20%. Возрастание содержания метана в атмосфере произошло незначительно, однако удельный вклад этого газа примерно в 25 раз выше, чем углекислого газа. Если не прекратить поступление в атмосферу "парниковых" газов, среднегодовые температуры на Земле к концу XXI века поднимутся в среднем на 2,55°С. Необходимо: сократить сжигание углеводородного топлива и сведение лесов. Последнее опасно, кроме того, что приведет к увеличению углерода в атмосфере, также вызовет снижение ассимилирующей способности биосферы. (В последнее десятилетие ХХ века ежегодно недопоглощено СО2 из атмосферы 1 млрд. т.) Ожидается, что к 2010 году прирост выбросов углерода в атмосферу за 20 лет составит 5070. К загрязнителям второй группы следует отнести двуокись серы, взвешенные твердые частицы, озон, окись углерода, окись азота, углеводороды. Из этих веществ в газообразном состоянии наибольший ущерб биосфере наносят двуокись серы и окислы азота, которые в процессе химических реакций преобразуются в мелкие кристаллы солей серной и азотной кислоты. Наиболее острой является проблема загрязнения атмосферы серосодержащими веществами. Диоксид серы оказывает вредное действие на растения. Поступая внутрь листа при дыхании, SO2 угнетает жизнедеятельность клеток. При этом листья растений сначала покрываются бурыми пятнами, а потом засыхают. Диоксид серы и другие ее соединения раздражают слизистую оболочку глаз и дыхательные пути. Продолжительное действие малых концентраций SO2 ведет к возникновению хронического гастрита, гепатопатии, бронхита, ларингита и других болезней. Есть сведения о связи между содержанием SO2 в воздухе и уровнем смертности от рака легких. В атмосфере SO2 окисляется до SO3. Окисление происходит каталитически под воздействием следов металлов, главным образом марганца. Кроме того, газообразный и растворенный в воде SO2 может окисляться озоном или пероксидом водорода. Соединяясь с водой, SO3 образует серную кислоту, которая с металлами, имеющимися в атмосфере, образует сульфаты. Биологическое действие кислых сульфатов при равенстве концентраций более выражено по сравнению с SO2. Диоксид серы существует в атмосфере от нескольких часов до нескольких дней в зависимости от влажности и других условий. Вообще аэрозоли солей и кислот проникают в чувствительные ткани легких, опустошают леса и озера, снижают урожай, разрушают постройки, архитектурные и археологические памятники. Взвешенные твердые частицы представляют опасность для здоровья населения, превосходящую опасность кислотных аэрозолей. В основном это опасность больших городов. Особенно вредные твердые вещества содержатся в выхлопных газах дизелей и двухтактных бензиновых двигателей. Большинство твердых частиц в воздухе промышленного происхождения в развитых странах успешно улавливаются всевозможными техническими средствами, основные из которых будут рассмотрены далее. Озон в приземном слое появляется в результате взаимодействия углеводородов, образующихся при неполном сгорании топлива в автомобильных двигателях и выделяющихся при многих производственных процессах, с окислами азота. Это один из наиболее опасных загрязнителей, поражающих органы дыхания. Он наиболее интенсивен в жаркую погоду. Окись углерода, окислы азота и углеводороды в основном поступают в атмосферу с выхлопными газами автомобилей. Все перечисленные химические соединения оказывают разрушительное действие на экосистемы при концентрациях даже более низких, чем допустимые для человека: закисляют водные бассейны, убивая в них живые организмы, губят леса, снижают урожаи сельскохозяйственных культур (особенно опасен озон). Исследования в США показали, что современные концентрации озона снижают урожай сорго и кукурузы на 1%, хлопка и соевых бобов — на 7%, люцерны — более чем на 30%. Из загрязнителей разрушающих стратосферный озоновый слой следует отметить фреоны, азотные соединения, выхлопы сверхзвуковых самолетов и ракет. Количество озона в атмосфере невелико (2∙10-6% по объему), но он играет важную роль в предохранении земной поверхности от ультрафиолетовой части солнечного спектра. Разрушение озонового слоя происходит в результате окисления озоном различных веществ, в том числе продуктов сгорания топлива самолетов и ракет. Это грозит увеличением дозы ультрафиолетового излучения, достигающего земной поверхности. По некоторым данным, разрушение озонового слоя на 50% повлечет за собой увеличение дозы ультрафиолетового облучения в 10 раз. Процесс истощения озонового слоя наблюдается с начала 70-х гг. и в последнее время получил название возникновения озоновых дыр. Если сконцентрировать весь озон в условном сплошном слое, то его толщина не превысит 3 мм. Содержание озона максимально в приполярных областях, минимально - вблизи экватора. Исследование причин сокращения содержания озона в атмосфере показало, что главная из них - высокая концентрация в атмосфере монооксида хлора, причем наблюдается четкая корреляция между содержанием монооксида хлора и снижением содержания кислорода. Основным источником хлора в атмосфере считаются фреоны — фторхлороуглеводороды, широко используемые в качестве холодильных агентов. Они используются не только в холодильных установках, но и в многочисленных бытовых аэрозольных баллонах с красками, лаками, инсектицидами. Молекулы фреонов отличаются стойкостью и способны практически без изменений переноситься с атмосферными массами на огромные расстояния. На высотах 15–25 км (зона максимального содержания озона) они подвергаются воздействию ультрафиолетовых лучей и распадаются с образованием атомарного хлора. Установлено, что за последнее десятилетие потери озонового слоя составили 12–15% в полярных и 4–8% в средних широтах. В 1992 году были установлены ошеломляющие результаты: на широте Москвы обнаружены участки с потерей озонового слоя до 45%. Уже сейчас по причине усиления ультрафиолетовой инсоляции наблюдается снижение урожаев в Австралии и Новой Зеландии, увеличение заболеваний раком кожи. Техногенные вещества биосферы, оказывающие вредное воздействие на биоту классифицируются следующим образом (приводится общая классификация, справедливая не только для газообразных веществ). По степени опасности все вредные вещества разделены на четыре класса: I – чрезвычайно опасные вещества; II – высоко опасные вещества; III – умеренно опасные вещества; IV – малоопасные вещества — см. таблицу. Для того, чтобы отнести вещество к тому или иному классу опасности надо воспользоваться данными следующей таблицы. Классификация вредных веществ
Отнесение вредного вещества к классу опасности производят по показателю, значение которого соответствует наиболее высокому классу опасности. Здесь: а) — концентрация, которая при ежедневной (кроме выходных дней) работе в течении 8 ч, или другой продолжительности, но не более 41 ч в неделю, в течении всего рабочего стажа не могут вызвать заболеваний или отклонений в состоянии здоровья, обнаруживаемых современными методами исследований в процессе работы или в отдаленные сроки жизни настоящего и последующего поколений; б) — доза вещества, вызывающая гибель 50% животных при однократном введении в желудок; в) — доза вещества, вызывающая гибель 50% животных при однократном нанесении на кожу; г) — концентрация вещества в воздухе, вызывающая гибель 50% животных при двух–четырех часовом ингаляционном воздействии; д) — отношение максимально допустимой концентрации вредного вещества в воздухе при 20°С к средней смертельной концентрации для мышей; е) — отношение средней смертельной концентрации вредного вещества к минимальной (пороговой) концентрации, вызывающей изменение биологических показателей на уровне целостного организма, выходящих за пределы приспособительных физиологических реакций; ж) — Отношение минимальной (пороговой) концентрации, вызывающей изменение биологических показателей на уровне целостного организма, выходящих за пределы приспособительных физиологических реакций, к минимальной (пороговой) концентрации, вызывающей вредное действие в хроническом эксперименте по 4 ч, 5 раз в неделю на протяжении не менее 4-х месяцев. Опасность загрязняющих атмосферу веществ для здоровья человека, зависит не только от их содержания в воздухе, но и от класса опасности. Для сравнительной оценки атмосферы городов, районов с учетом класса опасности загрязняющих веществ используется индекс загрязнения атмосферы. Степень загрязнения атмосферы одним веществом выражается через единичный индекс загрязненности (Ji).   , где Cic — средняя концентрация i-го вещества в атмосфере (на основе регистрации наблюдений);ПДКi — среднесуточная предельно допустимая концентрация i-го вещества; Ki — безразмерная константа приведения степени вредности i-го вещества к вредности сернистого газа. Значение константы Ki в зависимости от класса опасности вещества принимаются из таблицы.
Загрязнения атмосферы несколькими веществами оценивается комплексным индексом (суммарным) (J):  , где m — число вредных веществ, учитываемых при оценке загрязнения атмосферы.Единичный и комплексный индексы загрязнения атмосферы могут рассчитываться для разных временных интервалов — за месяц, год. При этом в расчетах используются среднемесячная и среднегодовая концентрация загрязняющих веществ. Для тех загрязняющих веществ, для которых не установлены ПДК, устанавливается ориентировочно безопасные уровни воздействия (ОБУВ). Как правило, это объясняется тем, что не накоплен опыт их применения, достаточный для суждения об отдаленных последствиях воздействия их на население. Если в технологических процессах выделяется и поступает в воздушную среду вещества, на которые нет утвержденных ПДК или ОБУВ, предприятия обязаны обращаться в территориальные органы Минприроды для установления временных нормативов. Кроме того, для некоторых веществ, загрязняющих воздух от случая к случаю, установлены только разовые ПДК (например, для формалина). Для некоторых тяжелых металлов нормируются не только среднесуточное содержание в атмосферном воздухе (ПДКсс), но и предельно допустимая концентрация при разовых замерах (ПДКрз) в воздухе рабочей зоны (например, для свинца —ПДКсс=0,0003 мг/м3, а ПДКрз=0,01 мг/м3 ). Нормируются также допустимые концентрации пылей и пестицидов в атмосферном воздухе. Так, для пылей, содержащих диоксид кремния, ПДК зависит от содержания в ней свободной SiO2 при изменении содержания SiO2 от 70% до 10% ПДК меняется от 1 мг/м3 до 4,0 мг/м3. Некоторые вещества обладают однонаправленным вредным воздействием, которое называется эффектом суммации (например, ацетон, акролеин, фталевый ангидрид —1 группа). Для каждой группы этих веществ используются понятия приведенной концентрации (С'пр ), т.е. концентрация всех веществ приводится к значению концентрации одного из них (С1):  мг/м3, где С2...Сn — концентрации веществ, приводимые к концентрации вещества С1;ПДК1...ПДКn — предельно допустимые концентрации веществ, входящих в одну группу с эффектом суммации. Иногда для веществ, обладающих эффектом суммации, используется другая нормативная характеристика — безразмерная (относительная) суммарная концентрация — q:  .Эта величина (закон Ле Шателье) должна быть меньше или в крайнем случае равна 1 (q≤1). Антропогенные загрязнения атмосферы можно характеризовать по длительности присутствия в атмосфере, по скорости возрастания их содержания, по масштабу влияния, по характеру влияния. Длительность присутствия одних и тех же веществ различна в тропосфере и стратосфере. Так, CO2 присутствует в тропосфере 4 года, а в стратосфере — 2 года, озон — 30–40 суток в тропосфере, и 2 года в стратосфере, а окись азота — 150 лет (и там, и там). Различна скорость накопления загрязнений в атмосфере (вероятно, связанная с утилизационной способностью биосферы). Так содержание CO2 возрастает по 0,4% в год, а окислов азота — по 0,2% в год. Основные принципы гигиенического нормирования атмосферных загрязнителей. В основе гигиенического нормирования атмосферных загрязнений лежат следующие критерии вредности атмосферных загрязнений: 1. Допустимой может быть признана только такая концентрация того или иного вещества в атмосферном воздухе, которая не оказывает на человека прямого или косвенного вредного и неприятного действия, не снижает его работоспособности, не влияет на самочувствие и настроение. 2. Привыкание к вредным веществам должно рассматриваться как неблагоприятный момент и доказательство недопустимости изучаемой концентрации. 3. Недопустимы такие концентрации вредных веществ, которые неблагоприятно влияют на растительность, климат местности, прозрачность атмосферы и бытовые условия жизни населения. Решение вопроса о допустимом содержании атмосферных загрязнений основывается на представлении о наличие порогов в действии загрязнений. При научном обосновании ПДК вредных веществ в атмосферном воздухе используют принцип лимитирующего показателя (нормирование по наиболее чувствительному показателю). Так, если запах, ощущается при концентрациях, не оказывающих вредного влияния на организм человека и внешнюю среду, нормирование осуществляют с учетом порога обоняния. Если вещество оказывает на окружающую среду вредное действие в меньших концентрациях, то при гигиеническом нормировании учитывают порог действия этого вещества на внешнюю среду. Для веществ, загрязняющих атмосферный воздух, в России установлены два норматива: разовая и среднесуточная ПДК. Максимальная разовая ПДК устанавливается для предупреждения рефлекторных реакций у человека (ощущения запаха, изменение биоэлектрической активности мозга, световой чувствительности глаз и др.) при кратковременном (до 20 минут) воздействии атмосферных загрязнений, а среднесуточная — с целью предупреждения их резорбтивного (общетоксичного, мутагенного, канцерогенного и др.) влияний. Контроль загрязнений атмосферы. Для дистанционного (неконтактного) глобального контроля загрязнений и состава атмосферы используются способы радиолокационного, акустического и лидарного (лазерного) зондирования. Это довольно сложные и дорогостоящие установки. Для контроля воздуха в приземном слое в отдельных точках планеты обычно используются более простые установки. Мы здесь рассмотрим только два принципа контроля состава воздуха: оптико-акустический и термохимический. Известно, что интенсивность излучения (радиация) света в инфракрасном диапазоне изменяется по закону I=I0·e-·cr·d, где I0 — интенсивность падающей радиации; I — интенсивность радиации, прошедшей через поглощающий слой; — коэффициент поглощения инфракрасной радиации определенным газом; Сr — концентрация этого газа; d — толщина поглощающего слоя. Видимо, зная , d и изменение радиации можно определить концентрацию контролируемого газа — Сr. Из инфракрасных анализаторов наибольшее распространение получили приборы с акустическим преобразователем (оптико-акустические преобразователи).  На рисунке представлена схема простейшего газоанализатора с селективным лучеприемником акустического типа. Газоанализатор состоит: из источника инфракрасного излучения 1; обтюратора 2; рабочей камеры 4; лучеприемника 7; оптически прозрачных для инфракрасного излучения окон 3, 5, 6; микрофона 8. Поток инфракрасной радиации, излучаемый источником и периодически прерываемый обтюратором с определенной частотой, сначала поступает в рабочую камеру, через которую проходит анализируемая смесь, а потом в лучеприемник, заполненный газом, концентрация которого определяется. Под действием прерывистого потока инфракрасной радиации газ в лучеприемнике будет периодически нагреваться и охлаждаться и внутри лучеприемника будут возникать периодические колебания температуры газа T, вызывающие колебания давления величиной Р (на том же рисунке – часть "б"). Амплитуда этих колебаний будет пропорциональна концентрации анализируемого газа. (чем больше концентрация, тем большая часть радиации поглощается в рабочей камере, тем меньше будет амплитуда колебаний. Рассмотренная схема оптоакустического газоанализатора дает представление о сущности метода анализа, но обладает рядом недостатков, среди главных из которых неизбирательность, а также зависимость от параметров смеси (температура, давление, плотность и т.д.). В реальных случаях используют многоканальные дифференциальные оптические схемы с устройствами подготовки и фильтрации газовой смеси (как оптической, так и механической). Другим очень перспективным в наше время является термохимический (термокаталитический) метод контроля газовых смесей, применяемый для обнаружения и измерения концентраций горючих газов и паров воздуха. В основе этого метода лежит использование специальных чувствительных элементов, представляющих собой микроспираль из микропровода в термостойкой изоляции, на которой сформирован шарик из окиси алюминия. Рабочий чувствительный элемент покрыт сверху еще катализатором на основе платино-паладиевой черни, сравнительный элемент этого покрытия не имеет. Работает газоанализатор следующим образом: обычно рабочий и сравнительный элементы включаются в одну ветвь мостовой электрической схемы, и помещается в одну пористую реакционную камеру. Сравнительный элемент используется для компенсации влияния неизмеряемых параметров газовой смеси. При подключении к мостовой схеме определенного напряжения, под влиянием протекающего тока спираль нагревается до определенной величины, нагревая шарики из окиси алюминия. Анализируемая газовая смесь попадает через поры реакционной камеры в ее внутреннюю полость и, подходя к шарикам, начинает процесс беспламенного горения на рабочем чувствительном элементе, в ходе которого выделяется тепло, которое дополнительно разогревает спираль рабочего чувствительного элемента. Материалы микропровода обычно используются с большим положительным температурным коэффициентом сопротивления (ТКС ). Сопротивление спирали рабочего элемента резко увеличивается, и на диагонали выхода мостовой схемы появляется напряжение, пропорциональное концентрации горючей составляющей в воздухе. Такие схемы отличаются большой надежностью, избирательностью и простотой. Для избирательного определения горючих компонентов газовой смеси необходимо менять температуру первоначального нагрева спирали. Н  а приведенном ниже рисунке изображен чувствительный элемент (часть рисунка "а") и общая мостовая схема первичного преобразователя, термохимического газоанализатора (часть "б"). На этом рисунке : 1 – платино-паладиевый катализатор; 2 – -окись алюминия; 3 – микроспираль; Рчэ – рабочий чувствительный элемент; Счэ – сравнительный чувствительный элемент; R1 и R2 – сопротивления плеч отношения; Uпит – напряжение питания; Uвых – выходное сопротивление первичного преобразователя, пропорциональная концентрации горючего компонента, Р.К. – пористая реакционная камера. Количество вредностей, выделяющихся из оборудования определяется по следующим формулам: а) Для оборудования работающего под давлением: Gg=m·н·V (кг/час), где н – плотность газа при рабочем давлении и температуре, кг/м3; V – объем газовой фазы в оборудование, м3; m – показатель (коэффициент) негерметичности, час-1 (является функцией давления газовой фазы, вида газовой смеси, конструкции оборудования — берётся из справочных таблиц). б) Для оборудования, работающего под разрежением (вынос вредных веществ происходит молекулярной диффузией навстречу потоку воздуха): Gp=F·  ·Co·exp (г/с), где F – площадь отверстий в корпусах оборудования, м2; – скорость, входящего через отверстия воздуха, м/с; а – длинна канала, м; С – концентрация газа внутри оборудования, г/м3; D – коэффициент диффузии газа в воздухе, м2/с. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||