Александр Рыженков - Физика окружающей среды

• Название: Физика окружающей среды
• Автор: Александр Рыженков
• Жанр: Физика
• Год: 2018
• ISBN: 978-5-906879-78-3

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.

---

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. Из этих данных можно с уверенностью сделать вывод о зависимости количества осадков в какой-либо местности от растительности.

В исследованиях ученого А. П. Бочкова показано, что сток небольших лесных районов на 50–95 % выше стока открытых безлесных районов. Из этого правила почти с очевидностью следует, что нынешняя трагедия в Сахеле (Южная Сахара), почти полное исчезновение воды не что иное, как продукт человеческой деятельности. Увеличение скотоводства привело к исчезновению растительности, а это в свою очередь, уменьшило испарение и соответствующие ему осадки. Локальные водные циклы на Севере Африки оказались разорванными руками человека. Похожие явления стали наблюдаться и в нашей стране в Калмыкии и на юге Украины в связи с постоянным уменьшением растительного покрова.

Антропогенное нарушение водных циклов. Единственным нарушителем круговорота природных вод является водопотребление обществом. Главные потребители пресной воды: сельское хозяйство, промышленность, сфера быта. Потребление воды зависит от соответствия расселения характеру потребности, уровня экономического развития и общей культуры людей. Однако, растущее использование воды с низкой эффективностью и продолжающееся во все больших масштабах загрязнение указывают на то, что человечество очень далеко от понимания важности водной проблемы, растут гигантские уровни потребления и загрязнения.

Наиболее водоемкие производства: металлургическое, целлюлозобумажное, сельскохозяйственное, пищевое.

Потребность в воде для производства 1 тонны продукции колеблется в очень широких пределах (таблица 4).

Таблица 4

Потребность в воде для производства 1 т

Любое производство и потребление связаны с отходами т. е. загрязнителями. Резко выросло в XX веке производство и потребление продуктов с органической основой: горюче-смазочные материалы, изделия из пластмасс, моющие средства, косметика и продукты питания.

Количество органических отходов в мире (таблица 2) велико и велика динамика их роста. Значительная часть их попадает в воду, где их разложение происходит в процессе окисления и под действием микроорганизмов. Для этого расходуется кислород, растворенный в воде. При незначительном количестве сбросов срабатывает механизм самоочищения, если отходов много, содержание кислорода в воде резко падает, вода загнивает и зарастает сине-зелеными водорослями, которые еще более снижают содержание кислорода. Процесс увеличения биогенных и органических веществ в воде – эвтрофикация.

Возможность самоочищения вод оценивается показателем ВПК (биологическая потребность в кислороде), который указывает количество кислорода в миллиграммах, необходимое для окисления 1 г вещества за 1 час.

Наиболее ощутимо нарушение круговорота воды сельским хозяйством. Орошаемое земледелие занимает около 17 % всех обрабатываемых площадей. Все рисоводство и 70 % хлопководства требуют интенсивного орошения.

Расширение сельскохозяйственного производства, особенно при орошении и привело к увеличению забора воды из рек. Более 1/3 стока таких рек, как Дон, Днепр, Днестр разбирается по пути к морю, воды Аму-Дарьи и Сыр-Дарьи практически не доходят до Аральского моря. Из-за уменьшения притока пресной воды и увеличения сброса сточных вод резко уменьшились рыбные запасы Аральского моря.

Забор воды из Аму-Дарьи и Сыр-Дарьи привел к экологической катастрофе в бассейне Аральского моря и поставил под угрозу благосостояние и даже жизнь людей, населяющих приморскую зону. Уровень моря упал почти на 13 метров, вода отступила от берегов на десятки километров, а в южной части до 100 км. Все это привело к возрастанию солености моря, уменьшению осадков, опустыниванию и засолению земель в районе Арала. Изменилась климатическая ситуация. Раньше Арал, представлявший огромный аккумулятор тепла, формировал стабильные тепловые конвекционные потоки, поднимавшие вверх холодные воздушные массы, приходящие с Севера (рис 4). Холодный и влажный воздух достигал Памира и выпадал в виде дождя и снега, питая ледники и реки. Теперь эти потоки не в полной мере достигают Памира, так как над Аралом нет прежних мощных восходящих потоков. Некоторые специалисты считают, что Аральское море спасти не удастся и оно обречено на быстрое вымирание. В 1988 году вышло постановление правительства СССР о мерах по коренному изменению экологической обстановки в районе Аральского моря, была создана специальная комиссия по контролю за реализацией этого постановления.

Рис. 4. Водный цикл Арала

Бытовое водопотребление тоже довольно значительно, особенно в Токио, Мехико, Сан-Пауло, Москве, Нью-Йорке и других многомиллионных городах. Нагрузка на водные ресурсы зависит в основном от технологии и культуры потребления. Дефицит воды, например, в Москве, связан с непозволительной расточительностью и загрязнением. Во всех городах значительно превышены рациональные нормы расхода воды на одного жителя в сутки – 125–350 л. В 1980 г расход на одного жителя в сутки составлял: Минск – 283 л, Таллинн – 428, Ленинград – 456, Москва – 593, Душанбе – 564, Ташкент – 811. В европейских городах жители укладываются примерно в 270 л, Потери воды вместе с другими причинами связаны и с отсутствием надежных и простых расходомеров. Кстати, это серьезная и интересная работа для физиков и инженеров, разработать такой расходомер.