Избранные вопросы экологии. Информационно-методический сборник

При достаточно высокой температуре содержащийся в воздухе азот соединяется с кислородом с образованием оксида азота. В природе это может произойти во время разряда молнии, но основная часть оксидов образуется при сжигании бензина в двигателях внутреннего сгорания (например, в автомобилях), котлов тепловых электростанций или при сжигании угля. При растворении этих веществ в капельках воды образуется азотная кислота.

Доказано, что кислотные дожди являются одной из причин гибели жизни в водоемах, лесов, урожаев, и растительности. Кроме того, они разрушают здания и памятники культуры, трубопроводы, приводят в негодность автомобили, понижают плодородие почв и могут приводить к просачиванию токсичных металлов в водоносные слои почвы. Пророческими оказались слова, сказанные в 40-х годах прошлого века немецкими химиками Вальтером и Идой Ноддак о том, что в каждом булыжнике на мостовой присутствуют все элементы Периодической системы.

Влияние пыли на атмосферные процессы гораздо сложнее, чем влияние газов, вызывающих парниковый эффект и кислотных дождей. Наиболее важным источником пыли является почва. На втором месте – океаны, выбрасывающие в воздух маленькие кристаллы солей, которые поднимаются в воздух и служат ядрами для конденсации водяных паров. Если бы в воздухе не было пыли, не было бы облаков. Далее следует вулканическая пыль и пыль, образуемая пустынями. Подсчитано, что ежегодно Сахара теряет свыше пятисот миллионов тонн пыли, а все мировые пустыни – более двух миллиардов тонн в год. Неземная пыль, происходящая из комет и метеоритов, ежегодно увеличивает массу Земли на 10 тонн.

В России около 109 миллионов (две трети населения) человек проживают в условиях постоянного превышения предельно допустимой концентрации вредных веществ (ПДК) в атмосферном воздухе в 5—10 раз. Более 50 миллионов человек подвергаются воздействию вредных веществ, превышающих ПДК в 10 раз, а 60 миллионов – в 6 раз.

К примеру, за год в атмосферу Москвы сейчас выбрасывается около 1,8 или 1,9 миллиона тонн загрязняющих веществ. Это означает, что на долю каждого москвича их приходится около 180 кг. Из них 150 кг – это автомобильные выбросы.Загрязнение окружающей среды от автотранспорта в Москве в целом в 2 раза выше, чем в среднем по России.

Вблизи автострад и основных городских магистралей уровень содержания токсических веществ в воздухе превышает предельно допустимую концентрацию (ПДК) в 20—40 раз. Кроме основных ингредиентов (сернистого ангидрида, окиси углерода, двуокиси азота, пыли) в городах отмечается повышенное содержание сероводорода, сероуглерода, ксилола, толуола, ацетона, бензина, аммиака, пятиокисного ванадия, марганца, свинца и других веществ. Сопутствующих отрицательных последствий несколько: непосредственное отравление выхлопными газами, длительное накопление в организме тяжелых металлов, постоянное звуковое раздражение нервной системы, непрерывная вибрация зданий в полосе биологически активных частот.

Наибольший выброс выхлопных газов происходит при торможении или старте машины, поэтому наиболее опасны перекрестки и светофоры. К тому же, более тяжелые, чем воздух, выхлопные газы, имеют свойство «стелиться» вдоль земли и скапливаться в низинах и местах застоя воздуха, что особенно опасно для детей.

На международной конференции по климату, проведенной в Москве в сентябре 2003 года отмечено, что содержание кислорода в атмосфере с 20,9% в 1953 году снизилось к 2003 до 16%. В создавшейся медико-экологической ситуации вклад загрязняющих веществ атмосферного воздуха в формирование заболеваемости в России составляет существенную долю в 26,2%.

В последние годы для России бедствием национального масштаба обернулись лесные пожары. Ежегодно их возникает более 30 тысяч. Они охватывают площади от одного до двух миллионов гектар. Причем в равнинных районах до 98% лесных пожаров происходит по вине человека.

Особую тревогу во всем мире вызывают пожары в районах, зараженных радионуклидами. В Российской Федерации таких районов насчитывается около 20. Дым лесного пожара переносит радионуклиды на десятки, сотни километров, образуя новые радиоактивные очаги.

Полагают, что радиационный фактор является важным регулятором эволюции живых организмов на нашей планете. Существование и развитие жизни на Земле происходит в условиях постоянно изменяющегося радиационного фона создаваемого космическим излучением и эндогенными процессами распада элементов в земной коре.

Дозы излучения, поглощенные тканями человеческого тела, измеряются в греях и радах. Грей (Гр) – поглощение энергии в 1 джоуль на 1 кг облученного материала; 1 Гр = 100 рад. Кроме того, используются такие единицы, как зиверты (Зв) и бэры (биологические эквиваленты рентгена): зиверт – это единица поглощенной дозы, умноженная на коэффициент, который учитывает опасность определенного вида излучения для биосистем: – 1 Зв = 100 бэр.

В течение десяти лет каждый человек получает дозу около 1 сантигрея (сГр) – от естественного фона. Этот фон на различных территориях отличается достаточно сильно: скажем, в средней полосе России он составляет около 14 мкЗв в час, а в индийском штате Керала в 4—5 раз выше, но в любом случае доза весьма мала. Примерно такова же по порядку величин суммарная доза от медицинских процедур и техногенных факторов. В итоге средний человек получает около 2 мГр в год независимо от того, имеет ли он контакт с источниками излучения. Годовая суммарная эффективная эквивалентная доза внешнего облучения обусловленная радионуклидами земного происхождения, равна 35 мбэр. Воздействие радиационного фактора на разные клетки и ткани имеет общие закономерности. В живых системах лишь около 25% поглощенной энергии приходится на долю биомолекул, а остальная ее часть поглощается водой, что сопровождается процессами радиолиза. Под непрямым действием ионизирующего излучения понимают повреждение биологических структур, вызванное продуктами радиолиза воды – высокоактивными свободными радикалами, способными уже чисто химическими путями приводить к изменению биомолекул. Установлено, что в живых системах отсутствуют специфические структуры, которые могли бы служить рецепторами для ионизирующей радиации и электромагнитных полей.

Экология гидросферы

Прежде чем на Земле возникла живая материя, на ней должна была появиться вода, в которой в течение многих миллионов, а возможно и миллиардов лет растворялись, накапливались и взаимодействовали различные минеральные соли. Наша планета на 3/4 покрыта океанами. Количество воды в атмосфере метеорологи оценивают в 12 900 кубических километров. Из них 98% находятся в форме невидимого пара, а 2% – в виде облаков – скоплений микроскопических капелек или ледяных кристалликов.

Таким образом, вода – это одно из самых распространенных на нашей планете веществ. «Начало всего есть вода», – отмечал Фалес из Милета ещё в VI веке до н. э. Велика роль воды и в формировании земного ландшафта. М. В. Ломоносов писал: «…Все во всем свете рудокопы не перероют столько земли, не провернут камней во сто лет, сколько одной весной разрушат о них льды и быстрины беспримерных вод российских». Будучи в химическом отношении достаточно простым веществом (2 атома водорода и один кислорода), вода долгое время считалась неделимым элементом. Лишь в 1766 году Г. Кавендиш (Англия) и затем в 1783 году А. Лавуазье (Франция) показали, что вода не простой химический элемент, а соединение водорода и кислорода в определенной пропорции. После этого открытия химический элемент, обозначаемый как Н, получил название «водород» (Hydrogen – от греч. hydro genes), которое можно истолковать как «порождающий воду». Молекула жидкой воды – единственное трехатомное вещество, имеющее соразмерности, свойственные золотой пропорции.

Физические свойства воды используются как эталоны при определении многих физических констант и единиц измерения. Так, температура замерзания воды, насыщенной воздухом под давлением 1 атм., принята за 0°С, а температура кипения при тех же условиях – за 100°С. Единицей массы, равной 1 г, в метрической системе мер принят вес 1 см

воды при 4°С.

Некоторые особенности воды делают ее уникальной для живой природы, а многие из них не подчиняются физическим законам, которые управляют другими веществами. Вода состоит из мономеров Н

О, которые при различной ее температуре могут образовывать димеры и тримеры. При температуре в 4

С основная масса воды представлена димерами. Вода обладает значительной смачивающей поверхностью. По показателям величины поверхностного натяжения, позволяющего воде подниматься по капиллярам на 10—12 метров, она уступает только ртути.

Важнейшим условием существования жизни на Земле является способность воды за счет капиллярных сил подниматься по узким почвенным каналам и сосудам растений.

По мере растворения, поступившие в воду ионы, обволакиваются ионами воды, однако она, являясь инертным растворителем, в реакцию с растворенным веществом, как правило, не вступает. Благодаря этой особенности воды огромное количество разнообразных веществ переносится по любым системам биосферы и доставляется к каждой клетке любого организма.

Вода, если ей дать достаточно времени, она может растворить практически любое твердое вещество. Именно из-за уникальной растворяющей способности воды никому до сих пор не удалось получить химически чистую воду – она всегда содержит растворенный материал сосуда.

Плотность воды при охлаждении от 100 до 4

С (точнее, до 3,98

С) возрастает, как и у подавляющего большинства жидкостей. Однако, достигнув максимального значения при температуре 4

С, плотность при дальнейшем охлаждении воды начинает уменьшаться. Таким образом, – максимальная плотность воды наблюдается при температуре 4

С (одна из уникальных аномалий воды), а не при температуре замерзания 0

С. Замерзание воды сопровождается скачкообразным уменьшением плотности более чем на 8%. В связи с этим лед (твердая вода) занимает больший объем, чем жидкая вода, и держится на ее поверхности.

Плотность большинства веществ – жидкостей, кристаллов и газов – при нагревании уменьшается и при охлаждении увеличивается, вплоть до процесса кристаллизации или конденсации.

Столь необычное поведение плотности воды крайне важно для поддержания жизни на Земле. Покрывая воду сверху, лед играет в природе роль своего рода плавучего одеяла, защищающего реки и водоемы от дальнейшего замерзания и сохраняющего жизнь подводному миру. Если бы плотность воды увеличивалась при замерзании, лед оказался бы тяжелее воды и начал тонуть, что привело бы к гибели всех живых существ в реках, озерах и океанах, которые замерзли бы целиком, превратившись в глыбы льда, а Земля стала ледяной пустыней, что неизбежно привело бы к гибели всего живого.

Уникальны в своём роде и тепловые свойства воды:

1. Вода – единственное вещество на Земле (кроме ртути), для которого зависимость удельной теплоемкости от температуры имеет минимум. Из-за того, что удельная теплоемкость воды имеет минимум около 37

С, нормальная температура человеческого тела, состоящего на две трети из воды, находится в диапазоне температур 36—38

С. (Внутренние органы имеют более высокую температуру, чем наружные – авт.).

2. Вода – обладает самой высокой теплоемкостью из всех известных веществ. Чтобы нагреть определенное ее количество на 1

 необходимо затратить больше энергии, чем при нагреве других жидкостей, – по крайней мере, вдвое по отношению к простым веществам. Это обуславливает исключительную, в отличие от других веществ, способность воды аккумулировать тепло. Благодаря этому свойству волы Мировой океан поддерживает среднегодовую температуру Земли в пределах 15°С. В противном случае климатические, и сезонные перепады температур были бы гораздо резче и приводили бы к бурным ураганам. Достаточно температурному режиму океана дать сбой, как по всей Земле неминуемо прокатываются катаклизмы.

Знаменитое Эль-Ниньо связано с появлением в тропической зоне Тихого океана тёплого течения, которое, медленно продвигаясь от Индонезии к берегам Перу и Чили меняет климатические условия. Как правило, этот феномен возникает, когда в силу естественных колебательных процессов перераспределения энергии в океане – слабеет сила пассатов, дующих вдоль экватора с востока на запад. В результате течение устремляется через океан от Индонезии к Перу и температура воды у побережья Перу поднимается на 3—5°С. Затянувшееся с 1990 по 1995 г. Эль-Ниньо привело к тому, что, начиная с 1996 г., по планете периодически прокатываются климатические катастрофы – наводнения там, где их никогда не бывало и засуха во влажных областях.

Исключительная теплоёмкость воды способствует тому, что у человека нормальная температура тела поддерживается на одном уровне и жарким днем, и прохладной ночью. Таким образом, вода играет главенствующую роль в процессах регулирования теплообмена человека и позволяет ему поддерживать комфортное состояние при минимуме энергетических затрат. При нормальной температуре тела человек находится в наиболее выгодном энергетическом состоянии. Температура других теплокровных млекопитающих (32—39

С) также хорошо соотносится с температурой минимума удельной теплоемкости воды.

3. Вода – обладает высокой удельной теплотой плавления, то есть воду очень трудно заморозить, а лед – растопить.

В структуре льда практически не бывает примесей: при замерзании они вытесняются в жидкость. Именно поэтому снежинки всегда белые, а льдинки на поверхности грязной лужи практически прозрачные. Но в планетарном масштабе именно замечательный феномен замерзания и таяния воды играет роль гигантского очистительного процесса – вода на Земле постоянно очищает сама себя.

Лед и особенно снег обладают очень высокой отражательной способностью, благодаря чему солнечное излучение не вызывает заметного нагрева полярных областей, и, как следствие – наша планета избавлена от сезонных наводнений и повышений уровня Мирового океана. Благодаря этому климат на Земле в целом достаточно стабилен и мягок, что позволяет большинству живых организмов оптимальным образом существовать (адаптироваться) в условиях благоприятной среды.

В качестве первичного эшелона, определяющего адекватность адаптации или приспособленность любых живых организмов к постоянно меняющимся факторам внешней среды, выступает количество в организме воды, абсолютное содержание и соотношение в ней макро и микроэлементов. Живая клетка это идеальная система обратных связей, но любая клетка это еще и вода и состояние этой воды решает в конечном итоге все.

Внутриклеточную среду обычно рассматривают как водный раствор, тогда как она представляет собой гель, испытывающий фазовые переходы.Вода служит дисперсионным средством (диспергатором) органических коллоидов и индифферентной средой для транспорта строительных и энергетических веществ к клетке и эвакуации продуктов обмена к органам выделения. Эти процессы связаны с константным (в узких пределах) содержанием воды и солей в организме. В обычных условиях вода в организме никогда не бывает в свободной форме, а всегда связана осмотическими, онкотическими и мицеллярными силами.

Можно смело утверждать, что «человек существует благодаря наполняющей его воде». В организме человека с массой тела 65 кг содержится от 40 л воды: из них почти 25 л находится внутри клеток, а 15 л – в составе внеклеточных жидкостей организма. Из 25 л внутриклеточных жидкостей около 95% находится в свободном состоянии, а 5% – иммобилизовано за счет связи с биологическими макромолекулами.Почти 89% воды содержит человеческий мозг, до 80% воды входит в состав человеческой крови, более чем на 70% мышцы человека содержат все ту же воду, и даже в костях скелета около 20% влаги. До сих пор актуален афоризм известного биолога Г. Н. Шангина-Березовского: «Каждый из нас всего лишь пятьдесят литров воды, вставшей на ноги».

Особенно богаты водой ткани молодого организма. C годами человек «высыхает», теряет влагу. В теле 3-месячного плода содержится 95% воды, 5-месячного – 86%, новорожденного ребенка – 70%, взрослого человека – от 65 до 55%. Поддержанием постоянного объема жидкости, состава и концентрации электролитов в организме занимается сложная система, в которой участвуют почки, надпочечники, гипофиз и легкие.

Организм человека состоит на 60% из воды, 34% приходится на органические вещества и 6% – на неорганические.

Молекула воды – диполь. Это значит, что геометрические центры отрицательных и положительных зарядов не совпадают – одна часть молекулы «поположительнее», а другая «поотрицательнее». Поэтому вода – дипольная жидкость. Но это только в первом приближении. Во втором приближении вода – система из четырех зарядов – квадруполь.