Экология: Рабочая программа, задание на контрольную работу, методические указания к проведению практических занятий

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Северо-западный государственный заочный технический университет Кафедра психологии и экологии

ЭКОЛОГИЯ Рабочая программа Задание на контрольную работу Методические указания по проведению практических занятий

Санкт-Петербург 2006

1

Утверждено редакционно-издательским советом университета УДК 504.03

Экология: Рабочая программа, задание на контрольную работу, методические указания по проведению практических занятий. - СПб.: СЗТУ, 2007, - 37 с.

Методический сборник рассчитан на студентов очной, очно - заочной, заочной и дистанционной форм обучения для всех специальностей факультетов (институтов): машиностроительного, экономики, менеджмента и управления, автомобильного транспорта, информатики и систем радиоэлектроники, приборостроения и систем обеспечения безопасности СЗТУ. Сборник содержит рабочую программу, вопросы для самоконтроля. перечень рекомендуемых тем рефератов, список контрольных вопросов к экзамену (зачету), список основной и дополнительной литературы, задание на контрольную работу и методический материал по проведению практических занятий.

Рассмотрено и утверждено на кафедре психологии, экологии, педагогики и психогигиены, протокол № 6 от 5.02.2005 г. Рецензенты:

Составитель: А.А. Музалевский, д-р техн. наук, проф.

© Музалевский А.А., 2005 © Северо-Западный государственный заочный технический университет, 2005

2

ПРЕДМЕТ И ЗАДАЧИ ЭКОЛОГИИ Эволюция живых организмов и среды их обитания, то есть планеты Земля, длится уже многие миллиарды лет. История человечества насчитывает миллионы лет, но только последнее столетие остро встал вопрос об устойчивости его дальнейшего развития и сохранения человека как биологического вида. Со времен первой и второй промышленной революций техническое, экономическое и технологическое развитие человечества заметно ускорилось. Особенно бурно нарастали информационные потоки. Интеграционные явления в экономике также происходят со все возрастающим ускорением. К середине ХХ века стало ясно, что такое развитие вошло в противоречие с ограниченными возможностями экосистемы Земля и нуждается в радикальной реорганизации. Это не означает, что человечество должно отказаться от технических и технологических достижений и дальнейшего прогрессивного развития и воспроизводства. Однако формы взаимодействия человека и природы должны быть кардинально пересмотрены. В основу дальнейшего развития цивилизации должны быть положены новые принципы и, в первую очередь, осознание необходимости соответствия действий человека естественным природным процессам, обеспечивающих устойчивую эволюцию жизни. Вся деятельность человечества должна быть организована таким образом, при котором осуществляется поддержка человеком сложившегося равновесия в природе путем создания разумных, жестких обратных связей, защищающих природу от нанесения невосполнимого ущерба окружающей среде и обеспечивающих возможность достаточно быстрого устранения причин нанесения ущерба. Экология как научное направление или дисциплина, относится к биологической науке, и в классическом определении понимается как наука о взаимоотношениях живых организмов между собой и средой их обитания. Примерно с середины ХХ века экологию стали понимать как науку об экосистемах и биосфере. Затем точка зрения на экологию претерпела еще более радикальные изменения. В предмет и объекты ее исследования включили природопользование, охрану окружающей среды и обеспечение экологической безопасности. За рубежом общепринятым термином стало слово "environment", что в переводе на русский язык означает "окружающая среда". В России этот термин не прижился, но появилось словосочетание "прикладная экология". Таким образом, говоря об экологии, изучаемой в технических университетах, имеют в виду как собственно экологию в биологическом смысле этого слова, так и прикладную экологию. Соответственно этому целью изучения дисциплины экология в техническом университете является ознакомление с основами взаимодействия живых организмов между собой и окружающей средой, а также влиянием хозяйственной деятельности человека на окружающую среду и на самого человека. При этом считается, что основная задача экологии на современном этапе состоит в детальном изучении количественными методами основ структуры и функционирования природных и созданных человеком систем. В этой связи при изучении курса экологии в техническом университете основное внимание уделяется изучению структуры биосферы, экосистем, взаимоотношений организмов и среды их обитания, экологических принципов рационального природопользования, охраны природы и обеспечению экологической безопасности, основ экономики природопользования, основ экологического права, профессиональной ответственности лиц, ответственных за проведение экологической политики, международного сотрудничества в области охраны окружающей среды. 3

Здесь представлены три схемы, на которых в наиболее кратком виде отражено содержание экологии в ее классическом понимании.

Схема 1

Уровни организации живых организмов Экология - наука о взаимоотношениях организмов между собой и с окружающей средой. ЖИЗHЬ - это развитие и воспроизводство устойчивой системы органических молекул в виде организмов и их сообществ, происходящее в результате обмена веществ внутри системы и с внешней средой. БЕЛКИ (-CO-СRH-NH-)n

УГЛЕВОДЫ (-СH2O-)n

НУКЛЕОТИДЫ

ЛИПИДЫ R1-СООН + О=СН-CН(ОН)-СН2(ОН)

Уровни организации жизни Молекулярно-генетический (копирование и мутации) Онтогенетический (индивидуальность, соответствие среде)

Популяционный (естественный отбор) Биогеоценотический (эволюция и устойчивость)

ЦАРСТВА Растения Бактерии, грибы Животные

Кол. видов 350000 75000 1500000

Способ питания Автотрофный Сапротрофный Гетеротрофный

Роль в природе Продуценты Редуценты Консументы

4

Схема 2

Структура экологических факторов, действующих на популяцию

Растения

Биотические факторы Межвидовые

групповые

комменсализм

протокооперация

симбиоз мутуалилизм

конкуренция

антибиоз хищиичество

гидрологические

Животные

Сообщество популяций

нейтрализм

генеративные конкурентные

Внутривидовые эдафические

Абиотические факторы

Ме с тообитание

Педосфера

Гидросфер

Возрастной состав

Бактерии и грибы

паразитизм

климатические

Атмосфера

ЭКОСИСТЕМА

Популяция Генофонд

Возрастной Структура состав

Плотность

5

Схема 3

Потоки масс и энергии в экологической системе Источник энергии

БИОТА

Растения Фитопланктон

рыбы, птицы

Бактерии, грибы, беспозвоночные

транспирация

Н2О

О2 СО2 дыхание

СО Водные растворы солей

Животные,

Газы, растворы, гумус, осадочные породы

Атмосфера Грунт

Гидросфера

Грунт

Абиота

6

РАБОЧАЯ ПРОГРАММА (Объем - 136 часов) ВВЕДЕНИЕ Определение экологии как науки. Предмет и основные задачи экологии. Место экологии среди других наук. Подходы, применяемые в экологии: популяционный, эволюционный и исторический подходы. Системный анализ, математическое моделирование, экологическое прогнозирование при решении экологических проблем. Аутоэкология и синэкология. Геологическая история Земли и формирование природной среды. Гипотезы происхождение жизни на Земле. Роль и значение человеческого общества в формировании природной среды. Единство общества и природы. Развитие общества, научно-технический прогресс и природная среда. Вклад российских и зарубежных ученых в изучение природной среды и создание экологической науки.

БИОСФЕРА И ЧЕЛОВЕК Основы учения В.И. Вернадского о биосфере. Основные идеи Вернадского В.И. о биосфере. Биосфера как область существования живого вещества. Роль живого вещества в формировании единой планетарной экологической системы высшего порядка. Биогенное и биокосное вещества как продукты жизнедеятельности живых организмов. Вещественный состав биосферы по Вернадскому В.И. и основные биогеохимические функции живого вещества. Уровни организации жизни. Основные этапы эволюции биосферы. Появление человека разумного (Homo sapiens) и человеческого общества. Представление о человеке как о новой геологической силе вселенского масштаба. Понятие ноосферы. Биосфера. Происхождение и строение Земли. Природные ландшафты. Состав биосферы и область ее размещения. Атмосфера и ее структура, химический состав атмосферы, значение содержания отдельных газов в атмосфере на формирование и развитие биосферы. Гидросфера, ее состав и структура. Распределение вод гидросферы, взаимодействие гидросферы с биосферой. Литосфера, ее состав и структура. Взаимодействие литосферы с гидросферой и атмосферой. Педосфера и ее роль в биосфере как биомембраны Земли. Энергетический баланс биосферы. Биоразнообразие как ресурс биосферы. Круговорот веществ, организмов и энергии в природе и их виды. Геологический и биологический круговорот. Круговорот углерода, кислорода, азота, фосфора, серы и других химических элементов.

ОРГАНИЗМ И СРЕДА ОБИТАНИЯ Взаимодействие организма и среды. Фундаментальные свойства живых систем. Уровни биологической организации. Организм как дискретная самовоспроизводящаяся открытая система, связанная со средой обменом вещества, энергии и информации. Разнообразие организмов. Источники энергии для организмов. Автотрофы и гетеротрофы. Фотосинтез и дыхание: кислород атмосферы как продукт фотосинтеза. Основные группы фотосинтезирующих организмов (планктонные цианобактерии и водоросли в морях и высшие растения на суше). Хемосинтез, жизнь в анаэробных условиях. Основные группы гетеротрофов (бактерии, грибы, животные). Трофические отношения между организмами: продуценты, консументы и редуценты. Гомеостаз (сохранение постоянства внутренней среды организма); принципы 7

регуляции жизненных функций. Возможности адаптации организмов к изменениям условий среды. Толерантность и резистентность. Экологическая валентность. Типы и уровни адаптации, ее генетические пределы. Эврибионты и стенобионты. Гомойо- и пойкилотермность. Принципы воспроизведения и развития различных организмов. Особенности зависимости организма от среды на разных стадиях жизненного цикла. Критические периоды развития. Энергетика и рост организма. ЭКОЛОГИЯ ПОПУЛЯЦИЙ Определение понятий "биологический вид" и "популяция". Иерархическая структура популяций; расселение организмов и межпопуляционные связи. Популяция как элемент экосистемы. Статические характеристики популяции: численность, плотность, возрастной и половой состав. Биомасса и способы ее выражения: сырой и сухой вес, энергетический эквивалент. Методы оценки численности и плотности популяции. Характер пространственного размещения особей и его выявление. Случайное, равномерное и агрегированное распределение. Механизмы поддержания пространственной структуры. Территориальность. Скопления животных и растений, причины их возникновения. Регуляция численности популяций в природе. Динамические характеристики популяции: рождаемость, смертность, скорость популяционного роста. Таблицы и кривые выживания. Характер распределения смертности по возрастам в разных группах животных и растений. Экспоненциальная и логистическая модели роста популяции. Специфическая скорость роста популяции, "плотность насыщения" как показатель емкости среды, чистая скорость размножения. Динамика биомассы. Понятие о биопродуктивности. ЭКОЛОГИЯ СООБЩЕСТВ Биоценозы (сообщества), их таксономический состав и функциональная структура. Типы взаимоотношений между организмами: симбиоз, мутуализм, комменсализм, конкуренция, биотрофия (хищничество в широком смысле слова). Межвидовая конкуренция. Эксплуатация и интерференция. Принцип конкурентного исключения. Условия сосуществования конкурирующих видов. Конкуренция и распространение видов в природе. Отношения "хищник - жертва". Сопряженные колебания численности хищника и жертвы. Сопряженная эволюция. Видовое разнообразие как специфическая характеристика сообщества. Динамика сообществ во времени. Циклические и необратимые процессы Сериальные и климаксовые сообщества. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ Определение понятия "экосистема". Экосистемы как хорологические единицы биосферы. Составные компоненты экосистем, основные факторы, обеспечивающие их существование. Развитие экосистем: сукцессия. Основные этапы использования вещества и энергии в экосистемах. Трофические уровни. Первичная продукция - продукция автотрофных организмов. Значение фотои хемосинтеза. Чистая и валовая продукция. Траты на дыхание. Основные методы оценки первичной продукции. Деструкция органического вещества в экосистеме. Биотрофы и сапротрофы. Пищевые цепи "выедания" (пастбищные) и пищевые цепи "разложения" (детритные). Потери энергии при переходе с одного трофического уровня на другой. Экологическая эффективность; "пирамида продукций" и "пирамида биомасс". Микро - и макроредуценты. Основные типы наземных экосистем. Тундры, болота, тайга, смешанные и широколиственные леса умеренной зоны, степи, тропические влажные леса, пустыни. Первичная продукция разных наземных экосистем. Взаимосвязи разных компонентов наземных экосистем. Значение почвы как особого биокосного тела. Полнота 8

биотического круговорота. Особенности сукцессии наземных экосистем. Водные экосистемы и их основные особенности. Отличия водных экосистем от наземных. Планктон, бентос, нектон. Основные группы продуцентов в водной среде: фитопланктон, макрофиты, перифитон. Роль зоопланктона и бактерий в минерализации органического вещества. . Вертикальная структура водных экосистем. Континентальные водоемы: реки, озера, водохранилища, эстуарии. Олиготрофные и евтрофные водоемы Антропогенное евтрофирование водоемов. Биологическая структура океана. Неритические и пелагические области. Зоны подъема вод. Интенсивность первичного продуцирования в различных частях Мирового океана. Емкость и устойчивость экосистем Экологическое равновесие. Разнообразие видов как основной фактор устойчивости экосистем. ФАКТОРЫ СРЕДЫ Среда обитания и условия существования. Экологическая пластичность. Лимитирующие факторы. Экологические факторы и их действие. Абиотические факторы. Биотические факторы. Взаимодействие и компенсация факторов. Антропогенные лимитирующие факторы. Ресурсы среды. Закономерности воздействия факторов среды на организмы. Популяционные характеристики. Проблемы питания и производства продовольствия. Факторы, лимитирующие развитие человечества. Технологическая цивилизация и биосфера. Экологические кризисы и катастрофы. Экологическое значение основных абиотических факторов: тепла, освещенности, влажности, солености, концентрации биогенных элементов. Заменимые и незаменимые ресурсы. Сигнальное значение абиотических факторов. Суточная и сезонная цикличность. Правило Либиха, закон Шелфорда. Распределение отдельных видов факторов по градиенту условий. Представление об экологической нише; потенциальная и реализованная ниша. Биотестирование и биоиндикация как методы контроля качества среды. Стресс как экологический фактор. ПРИРОДНЫЕ РЕСУРСЫ Характеристика природных ресурсов. Характеристика понятия "природные ресурсы". Значение природных ресурсов в развитии общества. Роль отечественных и зарубежных ученых в изучении природных ресурсов. Освоение природных ресурсов и ресурсопотребление. Классификация природных ресурсов. Классификация природных ресурсов по происхождению. Ресурсы природных компонентов Ресурсы природнотерриториальных комплексов Классификация природных ресурсов по видам хозяйственного использования. Энергетические и неэнергетические ресурсы. Классификация природных ресурсов по признаку исчерпаемости. Не возобновляемые, возобновляемые, относительно (не полностью) возобновляемые. Неисчерпаемые ресурсы, солнечная энергия, климатические, энергия приливов. Минеральные ресурсы. Топливно-энергетическое сырье. Нетрадиционные энергоресурсы. Металлы. Агроклиматические ресурсы Ресурсы климата. Водные ресурсы. Запасы воды на планете. Водохозяйственный баланс и его категории. Мировое водопотребление. Земельные ресурсы. Земельный фонд мира и его структура. Агроприродный потенциал и агроландшафты Агроландшафтные пояса. Продовольственная проблема Лесные ресурсы. Использование лесов. Поражение лесов в результате загрязнения и хищнической вырубки. Воспроизводство лесных ресурсов. Прогнозы состояния лесных ресурсов. 9

ЧЕЛОВЕК В БИОСФЕРЕ Человек как биологический вид. Экологическая ниша человека. Онтогенез человека и его критические периоды. Среда обитания человека, разнообразие условий. Экологические факторы и здоровье человека. Демографические показатели здоровья населения. Качество жизни. Экология и здоровье человека. Экологическое состояние окружающей среды и ее влияние на здоровье человека. Вредные вещества и излучения в окружающей среде и их степень опасности для человека и природной среды. Влияние научно-технического прогресса на состояние окружающей среды. Особенности антропогенного воздействия на биоту. История антропогенных экологических кризисов. Основная характеристика современного развития человеческого общества и факторы влияния научно-технического прогресса на состояние окружающей среды Экологический кризис и его характерные черты. "Парниковый" эффект, разрушение озонового слоя, "кислотные" осадки. Техногенные загрязнения биосферы в результате хозяйственной деятельности человека. Радиационное, электромагнитное и акустическое загрязнение природной среды. Экологические риски и их возможная классификация. Оценка экологических рисков, методы управления уровнем экологического риска. Глобальные экологические проблемы. Разрушение биоты. Глобальное загрязнение компонентов окружающей среды. Рост народонаселения. Голод. Нехватка питьевой воды. Болезни, СПИД, наркомания, алкоголизм, детская смертность. Истощение ресурсов. Обезлесивание. Опустынивание. Засоление почвы. Отходы. Процессы урбанизации. ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ И МЕТОДЫ ЕЕ ОБЕСПЕЧЕНИЯ Экологическая безопасность. Понятие экологической безопасности как элемента национальной безопасности страны. Методы обеспечения экологической безопасности. Экологический мониторинг. Виды мониторинга. Задачи мониторинга. Экологический контроль. Виды экологического контроля. Задачи экологического контроля. Нормативы ПДК, ПДС, ПДВ, ПДУ и другие. Основные методы оценки экологического состояния и качества компонентов природной среды. Государственная служба наблюдения за состоянием окружающей среды. Принципы экологического воспитания в обществе. Роль экологического воспитания детей и школьников. Деятельность партии "зеленых" и других общественных организаций и их значение в экологическом воспитании общества. Значение печати, радио и телевидения в экологическом информировании общества. Декларация ООН по вопросам окружающей среды и развития, принятая в 1992 году в Рио-де-Жанейро. Амстердамская Декларация 2000. Экологическое образование. Состояние экологического образования. Экологическая подготовка в начальной и средней школе. Состояние среднего специального и высшего экологического образования в стране. Переподготовка и повышение квалификации специалистов в области охраны окружающей среды. Подготовка научных кадров высшей квалификации в области охраны окружающей среды. Профессиональная экологическая подготовка руководящих работников и специалистов Распространение экологических знаний Научные экологические исследования. Право граждан на здоровую и благоприятную окружающую природную 10

среду. Право граждан на охрану здоровья от неблагоприятного воздействия окружающей природной среды. Полномочия граждан в области охраны окружающей природной среды. Полномочия общественных экологических объединений в области охраны природной среды. Государственные гарантии экологических прав граждан и общественных объединений. Особо охраняемые природные территории и объекты. Природно-заповедный фонд РФ. Государственные природные заповедники. Государственные природные заказники. Национальные природные парки. Памятники природы. Охрана редких и находящихся под угрозой исчезновения растений и животных. Охрана природы курортных и лечебно-оздоровительных зон Охрана зеленых зон ПРИРОДОПОЛЬЗОВАНИЕ И ОХРАНА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ Природоохранное законодательство. Экологическое право и состояние природоохранительного законодательства в РФ. Закон РФ "Об охране окружающей природной среды". Основные принципы охраны окружающей природной среды. Объекты охраны окружающей среды. Государственные природоохранные организации и службы предприятий. Компетенция законодательных и исполнительных органов власти РФ, республик в составе РФ, автономных областей и округов, краев, областей и органов местного самоуправления в области охраны окружающей среды. Экологические требования при эксплуатации предприятий, сооружений и выполнении иной деятельности. Общие экологические требования при эксплуатации предприятий, сооружений и иных объектов. Экологические требования в сельском хозяйстве, при планировании, проектировании, выполнении мелиоративных работ, к энергетическим объектам, при проектировании, строительстве, реконструкции городов и других населенных пунктов, при использовании радиоактивных материалов, при использовании химических веществ в народном хозяйстве, к военным и оборонным объектам и военной деятельности. Ответственность за экологическое правонарушение. Виды ответственности за экологические правонарушения Дисциплинарная ответственность за экологические проступки Материальная ответственность должностных лиц и иных работников, виновных в причинении вреда экологическим правонарушением. Административная ответственность за экологические правонарушения. Возмещение вреда, причиненного экологическим правонарушением. Обязанность полного возмещения вреда, причиненного экологическим правонарушением. Порядок возмещения вреда. Возмещение вреда, причиненного здоровью граждан неблагоприятным воздействием окружающей среды. Возмещение вреда, причиненного имуществу граждан Исковые требования о прекращении экологически вредной деятельности. Экологическое страхование. Чрезвычайные экологические ситуации. Зоны чрезвычайной экологической ситуации Зоны экологического бедствия Мероприятия по предотвращению экологических аварий и катастроф. Международное сотрудничество в области охраны окружающей среды. Принципы международного сотрудничества. Международные договоры в области охраны окружающей среды Обязанности иностранных юридических лиц и граждан, лиц без гражданства по соблюдению природоохранительного законодательства РФ и республик в составе РФ Взаимодействие международного и национального права в области предупреждения трансграничного загрязнения. Международное сотрудничество по предупреждению трансграничного загрязнения.

11

ТЕМАТИЧЕСКИЙ ПЛАН ЛЕКЦИЙ ДЛЯ СТУДЕНТОВ ОЧНО-ЗАОЧНОЙ (12 ЧАСОВ) И ЗАОЧНОЙ (8 ЧАСОВ) ФОРМ ОБУЧЕНИЯ ЧАСТЬ 1. ОСНОВЫ ОБЩЕЙ ЭКОЛОГИИ ИСТОРИЯ ЭКОЛОГИИ ЭКОСИСТЕМЫ - ПРЕДМЕТ ЭКОЛОГИИ ЭНЕРГИЯ В ЭКОСИСТЕМАХ КРУГОВОРОТ ВЕЩЕСТВ ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ БИОСФЕРА МЕТОДЫ ИЗУЧЕНИЯ ЭКОСИСТЕМ ЧАСТЬ 2. ОСНОВЫ ПРИКЛАДНОЙ ЭКОЛОГИИ ГЛОБАЛЬНЫЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ОКРУЖАЮЩАЯ СРЕДА И ЗДОРОВЬЕ ЧЕЛОВЕКА ОСНОВЫ ПРАВА И НОРМИРОВАНИЕ КАЧЕСТВА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ ОХРАНЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ СТРАТЕГИЯ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЧЕЛОВЕКА И ПРИРОДЫ ПУТИ И МЕТОДЫ СОХРАНЕНИЯ СОВРЕМЕННОЙ БИОСФЕРЫ

ПЕРЕЧЕНЬ ТЕМ ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАНЯТИЙ И КОНТРОЛЬНЫХ РАБОТ 1. Экология и надорганизменные уровни организации жизни. Функциональное деление живых организмов (Опорный конспект, схема 1 настоящей разработки). 2. Классификация экологических факторов, примеры действия на живые организмы и популяцию. Экологическая ниша (Опорный конспект, схема 2 в настоящей методичке). 3 Характеристики популяции. Динамика численности популяции (Опорный конспект). 4. Массовые и энергетические потоки в экологической системе (Опорный конспект, схема З в настоящей методичке). 5. Народонаселение Земли и прогноз численности человечества (см. методические указания). 6 Пределы роста численности человечества (методические указания и таблица в настоящей методичке). 7 Расчет загрязненности атмосферного воздуха в районах Санкт-Петербурга (методические указания, контрольная работа №2).

12

СПИСОК УЧЕБНОЙ И УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЙ ЛИТЕРАТУРЫ Основная 1. Гарин В.М., Кленова И.А., Колесников В.И. Экология для технических вузов. Ростов н/Д: Феникс, 2001. -384 с. 2. Петров К.М. Общая экология: взаимодействие общества и природы: Учебное пособие для вузов. СПб.: Химия, 1997.- 352 с. 3. Николайкин Н.И. и др. Экология. -М.: Дрофа 2004 -422с. 4. Бродский А.К. Краткий курс общей экологии: Учеб. пособие -СПб.:ДЕАН,2000224с. 5. Одум Ю. Экология. Т 1-2. - М.:Мир. 1986.-128, 376 с. 6. Реймерс Н.Ф. Экология. Теория, законы, правила, принципы и гипотезы. М.: 1994. 350 с. 7. Стадницкий Г.В. Экология: Учебное пособие для вузов - СПб.: Химия, 2002. - 346 с. Дополнительная 1. Горшков В.Г, Физические и биологические основы устойчивости жизни — М.: 1995. - 470 с. 2. Ревелль П., Ревелль Ч. Среда нашего обитания: В 4-х книгах. Кн. 1. Народонаселение и пищевые ресурсы: Пер. с англ.- М.: Мир, 1994.-340 с. 3. Сытник К.М. и др. Словарь-справочник по экологии - Киев: Наукова думка. 1994. - 665 с. 4. Шилова Е.И., Банкина Т.А. Основы учения о биосфере: Учеб. пособие. - СПб.: Издво С.-Петербургского ун-та, 1994. 200 с. 5. Ерофеев Б.В. Экологическое право: Учебник для вузов по спец. "Правоведение". М.: Высш. школа, 1992. - 398 с. 6. Окружающая среда: Энциклопедический словарь-справочник /Пер. с нем. - М.: Прогресс, 1993. — 640 с. 8. Цветкова Л.И., Алексеев М.И и др. Экология. Санкт-Петербург. 2001. 552 с.

13

РЕКОМЕНДУЕМЫЕ ТЕМЫ РЕФЕРАТОВ 1. Геологическая история Земли и формирование природной среды. 2. Происхождение жизни на Земле и формирование биосферы. 3. Роль и значение человеческого общества в формировании природной среды. 4. Развитие общества, научно-технический прогресс и природная среда, 5. Вклад российских и зарубежных ученых в изучение природной среды и создание экологической науки. 6. Атмосфера и ее структура, значение атмосферы на формирование и развитие биосферы. 7. Гидросфера, ее состав и структура. 8. Литосфера, ее состав и структура. 9. Круговорот веществ, организмов и энергии в природе. 10. Основные идеи Вернадского В.И. о биосфере. 11. Влияние хозяйственной деятельности человека на биосферу 12. Экология и ее основные научные направления. 13. Сообщества живых организмов и их местообитания. 14. Экологические факторы. 15. Антропогенные факторы экологии, искусственные экосистемы, факторы хозяйственной деятельности человека. 16. Экология популяций. 17. Сообщества и экосистемы. 18. Систематика живых организмов по способам питания. 19. Разновидности биогеоценоза по продуктивности. 20. Критерии устойчивости биогеоценозов. 21. Рациональное использование экосистем. 22. Значение природных ресурсов в развитии общества. 23. Классификация природных ресурсов 24. Состояние природных ресурсов. 25. Основная характеристика современного развития человеческого общества и факторы влияния научно-технического прогресса на состояние окружающей среды. 26. Экологический кризис и его характерные черты. 27. Экологическое состояние окружающей среды и ее влияние на здоровье человека. 28. Экологическое страхование. 29. Экологический аудит. 30. Экологическое воспитания и образование в обществе. 31. Экологическое право и состояние природоохранительного законодательства в РФ. 32. Международное сотрудничество в области экологии.

14

ВОПРОСЫ ДЛЯ ТЕКУЩЕГО И ИТОГОВОГО КОНТРОЛЯ ЗНАНИЙ 1. Укажите предмет и сформулируйте основные задачи экологии. 2. Какова роль и значение человеческого общества в формировании природной среды? 3. Дайте характеристику состава биосферы и область ее размещения. 4. Какое влияние на формирование и развитие биосферы оказывает содержание отдельных газов в атмосфере? 5. Дайте характеристику гидросферы, ее состава и структуры. 6. Дайте характеристику литосферы, ее состава и структуры 7. Какую роль играет круговорот веществ, организмов и энергии в природе на развитие биосферы? 8. Расскажите, что вы знаете о круговороте углерода, кислорода, азота, фосфора, серы и других химических элементов. 9. Назовите основные факторы негативного воздействия человека на биосферу. 10. Назовите основные принципы взаимодействия организма и среды. 11 В чем состоит экологическое значение основных абиотических факторов. 12. Что понимается под физико-химической среде обитания организмов. 13. Дайте определение понятий "биологический вид" и "популяция". 14. Назовите основные динамические характеристики популяции. 15. Дайте характеристику взаимоотношений между организмами. 16. Дайте оценку видового разнообразия как специфической характеристики сообщества. 17. Дайте определение понятия "экосистема". 18. Укажите основные этапы использования вещества и энергии в экосистемах. 19. Назовите основные типы экосистем. 20. Приведите одну из возможных классификаций природных ресурсов. 21. Что вам известно о состоянии природных ресурсов России.. 22. В чем состоит влияние научно-технического прогресса на состояние окружающей среды. 23. Что понимается под экологическим кризисом и каковы его характерные черты 24. Дайте оценку состоянию природоохранительного законодательства в РФ. 25.Что вам известно о международном сотрудничестве России с зарубежными странами в области охраны окружающей среды.

15

СПИСОК ВОПРОСОВ К ЗАЧЕТУ (ЭКЗАМЕНУ) ПО ЭКОЛОГИИ 1. 2. 3. 4. 5.

Какой вклад в развитие экологии внесли ученые Древнего Мира? Кто ввел в науку термин “экология”? Дайте его определение. Определите предмет и объекты исследования прикладной экологии. Чем различаются содержание дисциплин “аутоэкология” и “синэкология”? Кто ввел в науку термин “экосистема”? Определите экосистему и приведите примеры. 6. Дайте определения биоценоза и биотопа. 7. Чем отличаются антропоцентрическое и биоцентрическое направления в экологии? 8. Назовите абиотические и биотические компоненты экосистемы. 9. Как происходит саморегуляция экосистем? 10. Какие типы устойчивости экосистем вы знаете? 11. Назовите основные методы изучения экосистем. 12. Приведите примеры положительной и отрицательной обратной связи в экосистемах. 13. Дайте определение энергии и расскажите о роли этого понятия в изучении экосистем. 14. Какие трофические уровни в пищевой цепи занимают продуценты и консументы первого, второго и третьего порядков? 15. Какой трофический уровень занимает человек? Обоснуйте свой ответ и попробуйте ответить на вопрос «Что такое человек» с биологической и социальной точек зрения. 16. Как формулируется “правило пирамиды”? Чем отличаются пирамиды энергии от пирамид чисел и биомассы? 17. Что такое экологические сукцессии и какие типы сукцессий вы можете назвать? 18. Как влияет человек на содержание углекислого газа в атмосфере? 19. Что называется экологическим оптимумом, минимумом, максимумом? 20. Сформулируйте закон толерантности. Кто установил эту закономерность? 21. Сформулируйте основные представления В.И.Вернадского о биосфере? 22. Каковы были взгляды В.И.Вернадского на возникновении жизни на Земле? 23. В чем основной смысл учения В.И.Вернадского о ноосфере? 24. В чем заключается роль “живого вещества” в геохимических процессах? 25. Какова основная причина современного конфликта между человеком и природой? 26. Каково содержание терминов “экономическая парадигма”, “экологическая парадигма”? 27. Что такое антропогенные стрессы? Какую роль они играют? 28. Назовите ряд экологически опасных факторов. Какой из них по вашему мнению наиболее опасен? 29. Какие виды ископаемого топлива вам известны и в чем состоят преимущества и недостатки ядерной энергетики? 30. Почему сохранение природных экосистем – главное условие сохранения жизни на Земле? Обоснуйте свой ответ. 31. Дайте свое толкование понятию экологической безопасности. 16

32. Приведите примеры взаимосвязи состояния окружающей среды со здоровьем человека. 33. Перечислите основные виды воздействия автотранспорта на состояние окружающей среды. Какие из них наиболее опасные? 34. Какова основная цель экологического нормирования? Что такое ПДК? Какие виды ПДК вы знаете? 35. Что такое ПДС, ПДВ, ПДН, ПДУ? Дайте определение и приведите примеры. 36. Что называется мониторингом? Из каких основных блоков он должен состоять? 37. Что такое экологический контроль? Какие виды экологического контроля вы знаете? 38. Дайте определение чрезвычайной экологической ситуации. Приведите известные вам примеры. 39. Расскажите об известных вам инженерных методах защиты окружающей среды. 40. Что такое системный подход к изучению природы? 41. Какой основной закон возглавляет систему экологического законодательства России, в чем его особенности? 42. Какова современная концепция развития мира по результатам конференции в Рио де Жанейро 1992 г.? 43. Раскройте содержание термина “устойчивое развитие” и перечислите основные показатели устойчивого развития, дайте к ним пояснения. 44. Расскажите о значении и роли особо охраняемых территорий и объектов? 45. Перечислите известные вам виды ответственности за экологические правонарушения. 46. Какие существуют виды платы за пользования ресурсами в Российской Федерации?

17

ЗАДАНИЯ НА КОНТРОЛЬНУЮ РАБОТУ В процессе изучения дисциплины “Экология” студент должен выполнить либо контрольную работу, либо подготовить и защитить реферат. При подготовке к выполнению контрольной работы необходимо ознакомиться с соответствующими разделами опорного конспекта лекций и рекомендованной учебной литературой. Решение задачи необходимо производить в следующей последовательности. Вначале необходимо наметить ход решения задачи и собрать все исходные данные для расчета. Каждый этап расчета следует сопровождать теоретическим обоснованием (письменным пояснением), приведением необходимых расчетных выражений, а также результатами вычислений, путем использования исходных данных. Все расчеты должны производиться в единицах Международной системы единиц (СИ). Контрольная работа, включающая условия задачи и ход ее решения, выполняется в тетради. Выполненная контрольная работа сдается (высылается) в институт на рецензирование или представляются преподавателю, прибывшему на учебную точку, для проверки и рецензирования. Работы, оформленные небрежно и без соблюдения указанных выше требований, на рецензирование не принимаются. Варианты и значения исходных данных задач контрольной работы определяются студентом по его шифру и должны строго соответствовать приведенным ниже указаниям по их выбору. Поощряется выполнение студентами различных самостоятельных работ (расчеты, исследования, разработки и др.), связанных с решением природоохранных мероприятий предприятия, на котором работает студент. Такие работы могут заменять контрольную работу, предлагаемую настоящим методическим указанием, после согласования темы самостоятельной работы с преподавателем и надлежащим образом оформленные для представления на проверку и рецензирование. ВНИМАНИЕ! Нумерация формул в контрольной работе №1 и №2 независимы.

Контрольная работа №1. Содержание задания и исходные данные Прогноз численности человечества Рост народонаселения усугубляет экологические проблемы и ограничение роста, регулирования численности человечества становится актуальной задачей глобального масштаба. Из рассмотрения демографических данных видно, что прогрессивный рост численности человечества начал ослабевать в середине ХХ в., несмотря на огромный абсолютный прирост. Рассмотрение пределов численности предлагает альтернативные соответствующей варианты прогноза, что должно подкрепляться проведением экономической и моральной политикой. Пояснения к постановке задачи. Исходные данные, характеризующие воспроизводство и убыль в популяции: - доля воспроизводящих особей (женщин) Кж = 0.5; - среднее время половой зрелости воспроизводящей особи (женщины) Тпз = 30+Х, где Х - предпоследняя цифра шифра зачетной книжки; - среднее время жизни особи Тс = 70+У, где У последняя цифра шифра зачетной книжки. Предлагается рассчитать следующий сценарий прогноза. 1 этап - затухающий характер роста численности. 18

Исходя из современных демографических данных необходимо рассчитать логистическую кривую роста народонаселения Земли в ХХI в. с ограничением по максимальной численности до 2050 г. 2 этап - стабилизация численности. На этом этапе необходимо определите условия, обеспечивающие постоянство численности. Отвести на реализацию 2 - го этапа 50 лет. 3 этап - сокращение численности. На 3 – ем этапе надо рассчитать изменение численности по уравнению биотического потенциала до 2150 г. при реализация принципа “одна семья - один ребенок” В результате расчетов должен быть приведен график изменения численности человечества во времени для Вашей программы. Желательно обсудить полученные результаты. В чем Вы не согласны с приведенным подходом к планированию численности человечества и Ваши предложения по решению проблемы устойчивого развития человечества? Как она изменится при увеличении продолжительности жизни человека? Указания к выполнению задачи Внимательно ознакомьтесь с методическими материалами к выполнению контрольной работы (проведению практических занятий). В этих материалах изложены формулы, необходимые для решения задачи. На 1-ом этапе сохраняется тенденция в росте численности человечества, сложившаяся в последние 20-30 лет. При падении темпов рост численности моделируется по логистической кривой с ограничением максимально возможной численности Nмах = 9 млрд.чел. Все остальные константы определяются из начальных условий: Nо = 6 млрд.чел., То = 2000 год и Фо = 2. Константа K определяется при начальных значениях Фо и Nо по следующей формуле: K = Кпр/(1-N0/Nмax) = (Кж*Фо/Тпз-1/Тс)/(1-N0/Nмах). Для составления графика вычисления произвести через каждые 10 лет вплоть до 2050 г. Это время необходимо для подготовки человечества к стабилизации численности. Стабилизация численности на 2-ом этапе достигается рождаемостью, обеспечивающей “нулевой” прирост. Фертильность Фо, отвечающая этому условию находится из (7) при Кпр = 0. Численность достигнутая к 2050 г. остается постоянной до 2100 г. Средняя деторождаемость, обеспечивающая постоянство численности находится по формуле (8) при Кд = 0.71. На 3-м этапе реализация программы “одна семья - один ребенок” равносильна условию Д = 1. Используя уравнения (7 и 8) находится коэффициент прироста численности Кпр. Если Кпр < 0, то это означает, что численность человечества сокращается. Изменение численности рассчитывается по формуле биотического потенциала (2) при То=2100 и Nо=N2100 . Для составления графика вычисления произвести через каждые 10 лет вплоть до 2150 г. Оформите расчеты Вашего прогноза и сопроводите их графиком изменения численности человечества в 2000-2150 гг. 19

Примечание: при отсутствии средств вычисления экспоненциальной функции можно воспользоваться приближенной формулой разложения в ряд: exp(z)=1+z+z2/2.

1. Моделирование изменения численности популяции Объектом изучения популяционной экологии служит популяция. Ее определяют как совокупность организмов одного вида (внутри которой особи могут обмениваться генетической информацией, т.е. беспрепятственно размножаться), занимающей конкретное пространство и функционирующей как часть биотического многовидового сообщества. Популяция характеризуется рядом признаков, единственным носителем которых является совокупность особей, но не отдельные особи популяции: - плотность - численность на единицу пространства; - рождаемость, смеpтность, возрастной состав; - сосуществование и антагонизм; - связи, устанавливающиеся между особями в популяции; - этологическую структура популяции: „ семья, стая, стадо, у животных, „ колония у микроорганизмов и низших растений, „ группа деревьев, кустов, трав и т.п. у высших растений. Численность популяции определяется в основном двумя противоположными явлениями рождаемостью и смертностью. Пусть N = f(t) - численность популяции, dN/dt - скорость изменения численности в момент времени t, а отношение dN/(dt*N) - удельная скорость изменения численности популяции. Такой подход позволяет установить общие закономерности для разобщенных популяций различной численности. Так, в популяции инфузорий с исходной численностью 100 особей и с численностью 200 особей через час рост популяции равен 100 особей в час, а рост популяции в расчете на одну особь равен 100/100*1=1 особь в час. Таким же образом определяют рождаемость и смертность. Если dNр/dt - скорость рождения особей в популяции, то коэффициент рождаемости Кр = dNр/(dt*N), если dNс/dt - скорость убывания за счет смерти особей, то коэффициент смертности Кс = dNс/(dt*N). Т.к. dN = dNp - dNc, то коэффициент прироста численности равен Кпр = КрКс и представляет собой удельную скорость изменения численности изолированной популяции, в которой нет ни эмиграции, ни иммиграции. При развитии популяции коэффициент изменения численности - не что иное как биотический потенциал врожденная (специфическая) скорость естественного увеличения популяции, называемый иногда мальтузианским параметром. Из предположения, что Kпр=dN/(N*dt)=const

(1)

N(t)=No*exp(Кпр*(t-to))

(2),

следует

где No - численность популяции в исходный момент времени to, N - ее численность в момент времени t. Зависимость численности популяции от времени будет выражаться экспоненциальной кривой (рис.1,a).

20

Рис.1. Экспоненциальная (а) и логистическая (б) кривые роста рождаемости.

Рис.2. Колебания численности популяций, соответствующие двум кривым роста.

В природе в основном наблюдается иная картина. Прежде всего коэффициент прироста не остается постоянным, так как рождаемость и смертность меняются в зависимости от условий среды и возраста организмов, а пища и территория редко предоставлены в достаточном объеме. Чаще всего реальный рост численности популяции выражается S-образной зависимостью, которую называют логистической кривой роста (рис. 1,б). Пространство, заключенное между биотическим потенциалом и логистической кривой роста, представляет собой сопротивление среды. Уравнение логистической кривой отличается от уравнения биотического потенциала (1) корректирующим фактором: (1 - N/Nмах), где Nмах - максимальное число особей, способных жить в рассматриваемой среде. Отсюда выражение для производной логистической кривой имеет вид dN/(N*dt)=К*(1- N/Nмах), или после интегрирования получим N(t)=Nмах/(1+(Nмах/No-1)*exp(-К*(t-to)))

(3).

Относительный прирост, определенный как прирост численности в единицу времени на одну особь, будет равен Кпр=(dN/dt)/N=К*(1-N/Nмах)

(4)

и меняется от К*(1-No/Nмах) до 0. Значения коэффициентов рождаемости и cмертности зависит от очень многих факторов, действующих на популяцию извне, а также от собственных ее свойств. Определим коэффициент рождаемости из следующих предположений: в популяции численностью N при доле воспроизводящих особей дающих потомство Кж, за время равное полному возрасту половой зрелости (сумма предрепродукционного и репродукционного периода) Тпз прирост численности будет Кж*Ф*N, где Ф фертильность: среднее количество потомства приходящееся на одну воспроизводящую особь. Тогда коэффициент рождаемости на одну особь в единицу времени 21

Кр=Кж*Ф/Tпз

(5).

Коэффициент смертности определим аналогично Кс=1/Tс

(6),

где Tс - средний возраст наступления смерти. Коэффициент изменения численности Кпр=Кр-Кс=Кж*Ф/Тпз-1/Тс

(7).

Log N; N в млн.

При Кпр < 0 численность популяции уменьшается по экспоненциальному закону (2), при Кпр > 0 численность развивающейся популяции в стабильном экологическом сообществе изменяется по логистической кривой (3) с ограничением на максимальную численность, что связано с ограниченностью пищевых и иных ресурсов. Формула (3) не отражает колебаний численности (см. рис.2), связанных со сложностью пищевых цепей, проявлением не постоянных абиотических факторов. Косвенно влияние эпидемий, болезней, флуктуаций климата учитывается изменением коэффициентов рождаемости и смертности на определенных временах развития популяции.

5 4.5 4 3.5 3 2.5 2 1.5 1 0.5 0

log(Nаппр) log(Nс тат)

0

2 4 6 Log (T 2000 -T ); Т в год ах

8

Рис.3. Изменение численности человечества при отсчете с 2000 г. в историю. На примере человечества рассмотрим реальную динамику изменения численности вида. Анализ статистики населения Земли показывает, что уже с уровня человекообезьяны рост численности шел с увеличением относительного прироста в следствие отсутствия постоянного “хищника” на человека и его разумной деятельности. На рис. 3 приведены данные по изменению численности человечества в млн. чел. начиная с 2000 г. и в глубь веков. Видно проявление автомодельной зависимости в течение 1 млн. лет вплоть до 60-х г. ХХ столетия н.э. этого времени развитие человечества шло со скоростью пропорциональной N/(T2000-Т), а относительный прирост 22

рос пропорционально N1.4 и, начиная с 1970 г., человечество начинает реагировать на объективные факторы, связанные с изменением экологической стабильности в природе, и на субъективные факторы - ослабление иммунитета, нарастание вредных привычек (алкоголизм, наркомания), войны, травматизм, ограниченность пищевых ресурсов, загрязнение окружающей среды, программы регулирования народонаселения и т.д..

0 .0 2 0 0 .0 1 5

ст-ка

Относит. прирост.

0 .0 2 5

N м а х= 9 .0 *Е + 9

0 .0 1 0 0 .0 0 5 В р е м я , в го д а х 0 .0 0 0 1850

1900

1950

2000

2050

Рис. 4. Изменение относительного прироста населения Земли в ХХ веке и прогноз при ограничении максимальной численности человечества. На рис.4. приведены данные по изменению относительного прироста численности человечества в ХХ в. и прогноз его изменения в ХХ1 в. Видно, что сегодня рост численности происходит при уменьшении относительного прироста численности, что позволяет надеяться на появление тенденции к сокращению численности человечества в будущем. Описание изменения численности человечества на этапе с уменьшением относительного прироста и прогноз на будущее целесообразно вести по логистической кривой, учитывающей ограничение биотического потенциала популяции. На рис.4. представлен вариант расчета по уравнению (3) с ограничением роста численности до 9 млрд. чел. На рис. 5 приведено сравнение расчетов по рассмотренным зависимостям с данными статистики.

23

Численность в млн. чел.

9000

С тат.

8000

E X P K = 0 .0 18

7000

N m a x= 9 E + 9

6000 5000 4000 3000 2000 1000

В р е м я в г .н .э .

0

1850

1900

1950

2000

2050

2100

Рис 5. Сравнение статистики с расчетом численности человечества по различным уравнениям. Анализ данных показывает, что в течение сотен тысяч лет численность человечества росла без всяких внешних ограничений, но в ХХ в., несмотря на все достижения технического прогресса, темпы прироста стали уменьшаться. Люди, особенно в развитых странах, осознают ограниченность природных ресурсов, во всем мире явно и неявно идет борьба за них. Высокий уровень технологий, обеспеченный высоким уровнем энергопотребления, позволяет удовлетворить потребности населения в пище и товарах. Престиж и богатство начинают измеряться возможностью владения экологически чистыми ресурсами. В развивающихся странах, наоборот, часто возникает проблема недостатка продовольствия, низкий уровень технологий приводит к загрязнению окружающей среды. Не смотря на эти различия, более или менее разный уровень потребления, в целом над человечеством нависла проблема сокращения численности, чтобы предотвратить полное разрушение стабильного состояния биосферы. Из формулы (7) можно определить среднее значение фертильности, обеспечивающее максимальный относительный прирост в 2.% при времени половой зрелости 40 лет, при средней длительности жизни 70 лет и примерном равенстве количества женщин и мужчин Ф = (К+1/Тс)*Тпз/Кж = (0.02+1/70)*40/0.5 = 3, т.е. в среднем на каждую женщину приходится по 3 детей. При Кпр=0.01 достигнутом в конце ХХ в. Ф = ~2. В действительности число рожавших женщин меньше, т.к. не все достигли возраста Тпз или не имели детей по разным причинам. Предположим, что доля рожавших женщин и проживших Тпз составляет Кд, тогда Д=Ф/Кд,

(8),

где Д - среднее количество детей, приходящееся на одну рожавшую женщину . Полученные значения отражают реальную действительность при Кд = ~0.71. Снижение деторождаемости было достигнуто без применения насильственных 24

методов. Из примера развитых стран следует, что нация, не опасаясь за свое существование, может поддерживать постоянный уровень численности и увеличение доходов ведет к снижению деторождаемости. Условие постоянства численности соответствует Кпр = 0. При этом фертильность равна Фо = Тпз/(Тс*Кж) = 40/(70*0.5) = 1.1, а средняя деторождаемость составляет Д = Ф/Кд = 1.1/0.71 = 1.6. Из рис. 5 видно, что такая тенденция снижения прироста населения приведет к постоянству численности человечества на уровне 8-9 млрд. чел. к концу ХХI в.(расчеты проведены по уравнению (3) с начальными условиями 1970 г.). Итак, анализ динамики численности человечества показывает, что примерно 1 млн. лет человечество размножалось по автомодельному закону с увеличивающимся коэффициентом относительного прироста. Неограниченный рост численности объяснялся отсутствием “хищника” для человека и его разумной деятельностью. Так продолжалось до ХХ в н.э., когда прирост пошел на млрд. чел., что рано или поздно должно было войти в противоречие с ограниченными возможностями Земли. Начиная со 2-ой половины ХХ в н.э. темпы прироста численности достигнув максимума 2.0-2.5% стали уменьшаться, как реакция на проявление ограниченных возможностей. Вряд ли этот факт имеет локальное проявление, потому что численность в 6 млрд.чел. по всем оценкам становится соизмеримой с критической. Рассмотрим различные оценки предельных возможностей для роста численности человечества. 2. Климатический, биологический и экологический пределы роста численности человечества 2.1. Средние характеристики климата Земли, в частности среднегодовая температура, обладают достаточным постоянством. Основной видовой состав биоты адаптирован к существующему климату и его наблюдаемым флуктуациям. Поэтому для сохранения существующей биоты недопустимо воздействие на климат, приводящее к превышению естественных флуктуаций. Среднетемпературные флуктуаций климата не превосходят 10 градусов за 105 лет, 1го градуса за 104 лет и составляют 0.1 градус за времена порядка 100 лет. В соответствии с законом Стефана - Больцмана изменение температуры на 0.1 Ко происходит при изменении потока излучения на 0.1%. Так как солнечное излучение, падающее на поверхность Земли, имеет порядок 1017 Вт, то в течение нескольких десятков лет допустимо без ущерба для существующего климата и живых организмов изменение этого потока на величину - 100 ТВт (0.1%). Это изменение может быть вызвано как антропогенным изменением парникового эффекта или альбедо, так и дополнительными к солнечной энергии источниками: сжигание ископаемого топлива, ядерная энергетика, облучение Земли отражателями со спутников Земли, поглощение падающего солнечного излучения (при таянии льда как источника пресной воды), получение энергии за счет разности поверхностной и глубинной температур, использование солнечной энергии пустынь и транспортировка этой энергии в области с максимальной концентрацией населения. В любом случае , получение дополнительной энергии и ее пространственное перераспределение, перестройка бюджета солнечной энергии на поверхности Земли по сравнению с установившимися не должно превышать 100 ТВт. 25

Использование внешней энергии человеком на земной поверхности означает перевод ее в тепловую энергию. Генерация тепловой энергии неизбежно увеличивает приземную температуру Земли в соответствии с законом Стефана - Больцмана. Принципиально невозможно отводить отработанную тепловую энергию с земной поверхности, избегая связанного с этим нагрева земной поверхности. С поверхности Земли может быть отведена без изменения приземной температуры лишь сама внешняя (солнечная) энергия. Например, за счет увеличения альбедо - отражательной способности земной поверхности часть солнечной энергии может быть отражена обратно в космос. Но тогда эта энергии не вызовет на Земле никаких процессов, т.е. не будет использована Охлаждение поверхности Земли при фиксированном производстве тепла на ней возможно только за счет ослабления парникового эффекта и за счет транспирации испарения воды растениями (200(просо) - 800(рожь)кг воды/кг растения). В общем потоке испарения воды на суше доля транспирации растениями составляет 0.6. Скорость испарения с поверхности океана в 2 раза больше с поверхности суши. Современное энергопотребление человечества составляет 10 Твт и, следовательно, допустимо увеличение энергопотребления по сравнению с современным уровнем примерно в 10 раз. Таков климатический предел. Дополнительный к солнечному глобальный поток энергии, вызываемый сжиганием ископаемом топлива, достиг 10 ТВт, или 0,02 Вт/м2. В то же время антропогенное увеличение концентрации парниковых газов (СО2 СН4, О3 N2O, CFCl-1, CFCl-12) привело к усилению теплового излучения поверхности Земли в совокупности на 2 Вт/м2, что соответствует глобальной дополнительной мощности 1000 ТВт, что в 100 раз превосходит энергопотребление человечества и в 10 раз климатический предел. Однако, эта тепловая мощность может привести только к увеличению температуры Земли и не может быть использована в упорядоченных процессах, поддерживаемых солнечной мощностью и мощностью сжигания ископаемого топлива. Поэтому рост парникового эффекта вызывает наибольшие опасения с точки зрения влияния на климат и определяет невозможность дальнейшего увеличения энергопотребления за счет сжигания ископаемого топлива. 2.2. Полная биосферная мощность первичной продукции определяется водным режимом на суше и структурой глубоководных сообществ в океане . Она поглощает 100 ТВт солнечной мощности и находится на пределе мощностей, не изменяющих естественные температурные флуктуации. Это не случайное совпадение - мощность биосферы достигла наибольшей мощности, совместимой с устойчивостью климата. Энергетика фотосинтеза растений позволяет увеличить мощность биоты по крайней мере на порядок, например, путем замены всех обычных С3 - растений на С4 - растения, к которым относятся кукуруза и сахарный тростник. Если бы человек поднял среднюю эффективность фотосинтеза (0.2%) на порядок (к чему неудержимо стремятся исследователи), то это означало бы катастрофическую перестройку бюджета солнечной энергии. Такая тенденция столь же опасна, как и чрезмерное потребление энергии. Она соответствовала бы нарушению климатического предела. Потому полная биосферная мощность биоты не может быть увеличена в рамках современного климата. Согласно закону сохранения энергии в рамках стабильного климата в антропогенный канал может быть переведено не более полной мощности всей глобальной биоты, т.е. не более 100 Твт. Это соответствует увеличению антропогенной доли потребления, т.е. пищи людей, скота и потребления древесины, 26

примерно на порядок по сравнению с существующей величиной. Таков биологический предел. Рост антропогенной доли потребления продукции биосферы (0.14 квт/чел=300 кг зерна/год, из них 12% в виде животной продукции) обеспечивается ростом общего энергопотребления человечества (2.5 квт/чел). В настоящее время последнее опережает первое за счет невозобновимых ресурсов, т.е. % увеличения урожайности требует гораздо большего % увеличения затрат энергии (денег). Это отражает сильное сопротивление естественной биоты разрушающим воздействиям человека. 2.3. Рост парникового эффекта вызван изменением водного режима суши, увеличением концентрации атмосферного СО2. Последнее традиционно связывают со сжиганием ископаемом топлива. Климатический предел в результате антропогенного возмущения парникового эффекта уже в 10 раз превышен по сравнению с биологическим. Поэтому главным направлением борьбы за сохранение окружающей среды в глобальных масштабах считают сокращение выбросов ископаемого углерода путем перехода к другим "экологически чистым” источникам энергии. После осуществления подобного перехода и прекращения выбросов ископаемого углерода в атмосферу в режиме экономии энергии можно было бы, как предполагается, дойти до биологического предела раньше, чем до климатического. Однако оба эти предела, исходящие из возможной доли перераспределения энергии, не учитывают условий, сложившихся в стабильной (равновесной) естественной экосистеме биотического сообщества. Реально существующим пределом роста человечества является экологический предел. Он связан с поддержанием устойчивости окружающей среды и действия принципа Ле-Шателье в естественной биоте. Есть все основания полагать, что этот предел превышен на порядок величины. И именно это, а не сжигание ископаемого топлива, является причиной роста парникового эффекта и превышения на порядок величины климатического предела. Если бы антропогенное возмущение биоты суши было бы много меньше порога ее разрушения, то современные выбросы ископаемого углерода полностью компенсировались бы поглощением из атмосферы невозмущенными биотами суши и океана. Роста концентрации атмосферном CO2 в этом случае не наблюдалось бы. Переход к так называемым "экологически” чистым источникам энергии (гидроэлектростанции, атомная энергетика, прямое использование солнечной энергии, энергии ветра, приливов и т.д.) решает локальные проблемы, но не предотвращает антропогенного возмущения глобальной биоты, т.к. оно определяется величиной энергопотребления, а не его источником. Поэтому скорость глобального разрушения окружающей среды не может уменьшиться при замене одного источника энергии на другой при сохранении или увеличении мощности источника. Улучшение экологической ситуации может произойти только при сокращении мощности антропогенного энергопотребления до экологического предела. Нарушение экологическою предела приводит к разрушению естественных сообществ биоты, прекращению компенсирующего действия принципа Ле-Шателье в биоте и нарушению устойчивости окружающей среди. Обоснование величины экологического предела. 2.3.1. 2.3.1. Допустимая доля потребления биоты растительноядными позвоночными в естественных устойчивых экосистемах (рис.6.) составляет 0.7% (энергетической 27

пирамида). Антропогенное потребление (людей, скота, древесины) достигло сегодня 7% продукции биоты. Тем самым человечество отнимает пищу (уничтожает) у мелких беспозвоночных, потребляющих основную массу биоты и выполняющих основную стабилизирующую роль в экосистемах. 2.3.2. По изменению содержания углекислого газа в атмосфере. Углерод является основой органических соединений и, соответственно, основой всех живых организмов. Его содержание в биосфере пропорционально массе живых организмов, а баланс органического и неорганического углерода в биосфере отражает круговорот углерода и связанные с ним процессы. Из рис.7. видно, что начиная с 1800 г. стабильный эволюционный состав атмосферы, существовавший в течение десятков тысяч лет, начал изменяться в следствие антропогенной деятельности. Соответственно, за счет физико-химических процессов на поверхности океана начало изменяться содержание углерода (СО2) в океане. Устойчивость биосферы проявилась в стабилизации состава атмосферы при повышенном содержании углерода, но с 1950 г. дальнейшее возрастание антропогенной деятельности привело к нарушению локального равновесия и сегодня процессы в биосфере носят переходный характер, последствия которых не ясны. Приведенные факты свидетельствуют о том, что численность человечества на уровне 1700-1800 гг. н.э. является предельной с точки зрения существования устойчивой биосферы. В таблице 1. приводится сводка различных подходов к оценке пределов численности человечества.

Рис 6. Соотношение продукции биосферы с энергопотребления /2.1/.

антропогенными потоками

Горизонтальные линии: Р - глобальная валовая первичная продукция всей биосферы; V - глобальное потребление естественных растительноядных позвоночных, совпадает с порогом экологически допустимого антропогенного потребления продукции биосферы. Кривые линии: мощность сжигания ископаемого топлива; антропогенное 28

потребление (пища людей и скота потребление древесины) продукции биосферы; сокращение органических запасов не суше. Области: I - экологически разрешенная величина антропогенного потребления. Все антропогенные возмущения биоты н окружающей среды компенсируются естественной биотой. II - экологически запрещенная для антропогенного потребления область. Глобальное потребление первичной продукции в этой области осуществляется в устойчивом режиме мелкими беспозвоночными естественной биоты, которые выполняют основную работу по стабилизации окружающей среды. Антропогенное потребление в ней приводит к вытеснению естественных сообществ н разрушению устойчивости биоты м окружающей среды.

Рис.7 Изменение состава углеродного баланса углерода за последние три столетия. „ потребление ископаемого топлива (dM/dt)гор.т-ва при изъятии из природных ресурсов; „ уменьшение содержания органического углерода на суше в следствии сокращения лесов и плодородных земель (dM/dt)биоты суши; „ увеличение содержания углерода в атмосфере (dM/dt)атм и океане (dM/dt)океана, полученные при анализе ледяных кернов Антарктиды и радиоуглеродного изотопного метода. 3. Моделирование изменения численности человечества в ХХI в Из оценки запасов по углероду 4000 Гт /2.1/ и сохранении ежегодного расхода органических невозобновимых ресурсов в углеродном исчислении 6 Гт/год можно оценить максимальное время, необходимое человечеству для перехода в состояние 4000/6=670 лет. При экологического равновесия с окружающей Природой: пропорциональном численности населения расходе органических невозобновимых ресурсов и принятом допущении об ограничении роста численности это время сокращается до 480 лет. С учетом роста энергопотребления человечества время исчерпания невозобновимых ресурсов ~100 лет. Если человечество за это время не найдет возможности для расселения людей на 29

другие планеты (Марс) за счет прямого использования солнечной или термоядерной энергии, что маловероятно, то придется решать проблему сокращения численности населения Земли. За это время человечество для сохранения жизни на Земле должно реализовать программу сокращения численности до 1 млрд. чел. Из анализа выражения для коэффициента изменения численности (7) видно, что уменьшения К в человеческом обществе невозможно достичь за счет сокращения среднего возраста жизни, за счет увеличения возраста половой зрелости, что противоречит сохранению качества генной информации, за счет уменьшения доли женских особей. Остается только возможность регулирования показателя фертильности . Наиважнейшая задача человечества в ХХI в. - это стабилизация численности. Основными объективными условиями для этого являются отсутствие экспансии между нациями и обеспеченная старость. Более того, должны быть подготовлены моральные, экономические и политические условия обеспечения снижения численности. Если решение проблемы снижения численности будет найдено, человечество займет свою экологическую нишу и тогда у него появится возможность участвовать в эволюционном преобразовании Природы.

Таблица 1. Оценка пределов численности человечества. Климатический Биологический Экологический предел предел предел По допустимой Из допущения о По По величине полном сохранению сохранению Климатических потреблении доли устойчивости флуктуаций. продукции потребления биосферы. биосферы. животными в стабильной экосистеме. Энергопотребле Полный перевод Доля Изменение ние человечества биологической потребления состава в биоты составляет 10 Твт. продукции атмосферы изДопустимо его антропогенное растительноядн за увеличение до 100 потребление равен ыми антропогенног Твт. Последствия 100 Твт. Полное позвоночными в о сжигания энергопотребление , естественных парникового органических энергию устойчивых эффекта из-за включая углеродных пищи, индустрии экосистемах увеличения ресурсов содержания материалов и менее 1% (1 начиная с 1800 углерода в транспорта Твт) и г. при составляет 104 соответствует атмосфере численности эквивалентны 1000 вт/чел. численности человечества Твт. человечества в 1 млрд. чел. Максимальная численность 1750 г. 600 млн. чел. 10 млрд. чел. Решение Ограничения те Сокращение численности проблемы же: снижение человечества с выходом на “парникового выбросов углерода экологический предел. 30

эффекта" - отсутствие выбросов углерода, снижение температуры Земли за счет транспирации растений.

(ядерная энергетика) и охлаждение поверхности Земли.

31

Контрольная работа №2. РАСЧЕТ ЗАГРЯЗНЕННОСТИ АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА В РАЙОНАХ САНКТ-ПЕТЕРБУРГА При рассмотрении ряда тем курса "Экология", в частности: экологический контроль, мониторинг, организация управления качеством окружающей среды и др. слушателям необходимо приобрести навыки и опыт в изучении и применении технологий работы с основными данными, оценке состояния окружающей среды или ее отдельного компонента, оценке риска и управления качеством компонентов природной среды в условиях риска. Предлагаемый методический материал преследует цель познакомить студентов с современными методами оценки состояния атмосферного воздуха и самостоятельно провести ряд расчетов применительно к конкретным районам или зонам Санкт-Петербурга. Общая информация К началу 90-х годов в Санкт-Петербурге насчитывалось почти 129 тысяч крупных и мелких стационарных объектов, являющихся источниками загрязнения атмосферного воздуха. К настоящему времени их число сократилось почти в пять раз. Однако за десять лет резко возросло число транспортных средств, выезжающих ежедневно на улицы города. Количество автомобилей, находящихся в только личном пользовании за последние десять лет выросло более чем в три раза. По современным оценкам на долю автомобильного транспорта приходится порядка 70 % всех выбросов загрязняющих веществ (3В) от общего объема всех ЗВ, поступающих в атмосферу города. Автомобильный транспорт выбрасывает в окружающую среду более 170 видов загрязняющих и ядовитых (токсичных) веществ. Из них особо опасен оксид углерода (СО), суммарный выброс которого в атмосферу Санкт-Петербурга достиг в 1998 году 270 тысяч тонн, что заметно влияет на качество воздуха в нашем городе. По некоторым оценкам выброс СО в атмосферу города в 2004 году превысит 300 тысяч тонн. Не менее опасными являются соединения азота. Для оценки состояния (качества) атмосферного воздуха применяются различные методы. Один из них состоит в том, что содержание каждого из 3В (концентрация, выраженная в мг/м3) сопоставляется с некоторым базовым уровнем на предмет соответствия, на основании чего делается соответствующий вывод. Наиболее часто в качестве уровня отсчета принимаются значения ПДК - предельно допустимой концентрации. Этот подход традиционен и применяется на протяжении уже нескольких десятилетий в подавляющем большинстве стран Европы, Америки, Азии и России. Он основан на применении простых соотношений. В Санкт-Петербурге в составе Администрации города имеется Комитет по природопользованию, охране окружающей среды и обеспечению экологической безопасности. В задачи этого Комитета входит, в частности, проведение в жизнь мероприятий по поддержанию приемлемого уровня экологической безопасности, контроль за состоянием атмосферного воздуха и принятие оперативных мер в случае возникновения неблагоприятных для здоровья человека ситуаций. Для оценки состояния атмосферного воздуха в Комитете пользуются тремя методами. Первый из них - метод оценки посредством показателя ИЗА - индекс загрязнения атмосферы. Второй метод основан на применении показателя СИ стандартный индекс и, наконец, третий метод использует показатель НП наибольшая повторяемость превышения ПДК. ИЗА - комплексный индекс загрязнения, учитывающий несколько примесей. СИ - наибольшая измеренная разовая концентрация примеси, деленная на ПДК. Она определяется из данных наблюдения на посту за одной из примесей, или на всех постах района за всеми примесями за месяц или за год. НП - наибольшая повторяемость (в процентах) превышения ПДК по данным 32

наблюдений на посту за одной примесью или на всех постах района города за всеми примесями за месяц или за год. В последние годы все эти методы подвергаются критике ввиду их ограниченности и не адекватности реальной ситуации. Поэтому разрабатываются и другие подходы к оценке качества атмосферного воздуха, в которых недостатки вышеупомянутых методов устраняются путем введения либо новой базы для отсчета, либо путем введения новых информационных показателей организованных на иных принципах. Применяются также и комбинированные методы. В качестве практического занятия ниже предлагается провести оценку качества атмосферного воздуха районов Санкт-Петербурга как с помощью старых подходов, так и с помощью активно развиваемого в настоящее время метода, в основе которого лежит понятие экологических индикаторов и индексов.

Контрольная работа № 2 А Ознакомительная информация. При оценке экологического состояния атмосферного воздуха достаточно часто пользуются формулой Аверьянова. Согласно формуле Аверьянова сумма относительных концентраций 3В, содержащихся в атмосферном воздухе не должна превышать единицы, то есть: С1/ ПДК1+С2/ПДК2 +Сз/ПДКз+...+ Сn/ПДКn

< 1 (I)

В формуле (1) Сn, - концентрация контролируемого 3В, ПДКn, -предельно допустимая концентрация этого же контролируемого вещества. В применении к оценке качества атмосферного воздуха различают три основных типа ПДК - ПДКсс среднесуточное, ПДКсм -среднемесячное, ПДКсг - среднегодовое. Их численные значения не совпадают. Если неравенство (1) при подстановке всех трех типов ПДК выполняется, то экологическая обстановка территории по атмосферному воздуху, для которой проводится оценка, считается благополучной. Величины всех ПДК указаны в ряде справочников и Руководящих документах (РД) (например, И.И.Дедю. «Экологический энциклопедический словарь». Кишинев. Главная редакция Молдавской Советской энциклопедии. 1990. 406 с. Руководство по контролю загрязнения атмосферы. РД 52.04186-89. М: Гидрометеоиздат. 1991.693 с.) В результате техногенной деятельности в атмосферу поступают тысячи веществ и соединений. Но не все выбрасываемые 3В одинаково опасны для человека. Длительные исследования воздействия 3В на здоровье человека, содержащихся в атмосфере, проведенные во многих странах Европы, США и России, позволили выделить применительно к оценке состояния атмосферного воздуха около двадцати приоритетных 3В. Наиболее опасными из них считаются: диоксид серы (SO2), диоксид азота (NO2), оксид углерода (СО), озон (Оз), соединения свинца, пыль (четыре разновидности). Таким образом, в формуле (1) для оценки состояния воздуха по международным стандартам необходимо принять n = 6. Сказанное представлено в табл. 1. ТАБЛИЦА 1. Приоритетные 3В, их ПДК и класс опасности №

Вещество

1 2 3

SO2 CO NO2

ПДКсс, ПДКсм, ПДКсг (Мг/м3)

Класс опасности, q 3 4 2 33

4 5 6

O3 Соединения свинца Пыль

1 1 1

Задание: проверить выполнимость соотношения (1) для конкретного района Санкт-Петербурга и оценить состояние атмосферного воздуха в выбранном районе. Для этого проделать следующее: 1. Воспользовавшись справочной литературой найти и внести в табл. 1 численные значения всех типов ПДК для приоритетных 3В, всего 6 х 3 = 18 значений. 2. Из отчетов Управления по охране окружающей среды Администрации СанктПетербурга (Отчет можно взять за любой год с 1994 по 2003, по которым такие отчеты имеются в библиотеках СЗТУ, РАН и др.) выбрать по своему усмотрению и указать конкретный район города; 3. Из таблиц, диаграмм или графиков, приведенных в Отчете выписать фактические (измеренные) значения концентраций С, приоритетных 3В; 4. Подставить в формулу (1) найденные значения концентрации 3В С, и ПДК, и трижды в соответствии с типом ПДК проверить неравенство Аверьянова на его выполнимость; 5. Прокомментировать полученные результаты и дать свою оценку экологического состояния атмосферного воздуха в выбранном районе города по каждому отдельному 3В; 6. Оценить состояние атмосферного воздуха в выбранном районе с помощью обобщенного показателя, который рассчитать по формуле: χоб=1/б Σ Сn / ПДКn

(2)

Если значение χоб. меньше или вблизи единицы, то состояние воздуха удовлетворительное, если значение χоб. больше единицы, то - неудовлетворительное. Сделать выводы и отразить их в отчете.

Контрольная работа № 2 Б Задание: Провести оценку состояния атмосферного воздуха в Центральном районе Санкт-Петербурга, в зоне Невского проспекта, где интенсивность автомобильного движения одна из наиболее высоких. Исходные данные: - принять длину Невского проспекта равной 1 = 4.3 км, среднюю ширину d = 50 м, высоту приземного слоя атмосферы, в котором влияние 3В на органы дыхания человека существенно - h = 2м; - вычислить объем V в м3 контролируемого объекта; - рассчитать среднечасовое количество автомобилей N, находящихся одновременно на всей длине Невского проспекта, воспользовавшись любыми из следующих данных: а) в часы пик число автомобилей, пересекающих любой перекресток Невского проспекта за один час равно k = 2000 штук/час, б) средняя скорость движения автомобиля v = 40 км/час, в) число полос движения в обоих направлениях равно 8, г) участок полотна, занимаемый одним автомобилем по длине равен 10 метрам. Далее проделать следующее: - по справочной литературе найти количество СО, выбрасываемого одним 34

автомобилем за один час в режиме движения - mрд и в режиме холостого хода mрхх , после чего вычислить их среднее значение mc = (mрд + mрхх)/2; - вычислить полную массу М оксида углерода СО, содержащуюся в рассматриваемом объеме М = N mc ; - рассчитать среднюю часовую концентрацию СО Сс = f x M/V с учетом суммарного поправочного коэффициента f, связанного с рассеиванием оксида углерода в атмосфере и его выносом за пределы рассматриваемого объема; - оценить значение поправочного коэффициента самостоятельно, исходя из общих физических соображений; - сопоставить полученное значение Сс с среднесуточным значением ПДКсс по этому показателю, умножить отношение Сс / ПДКсс на класс опасности q; - рассчитать значение обобщенного показателя μ состояния атмосферного воздуха внутри выбранного коридора по формуле: μ =qx Cc / ПДКсс

(3)

- результат занести в табл. 2 (в четвертый столбец) - сопоставить полученный результат с данными табл. (столбцы 2 и 4) и сделать соответствующие выводы, отразить их в отчете. Таблица 2. Качественная и количественная оценка состояния атмосферного воздуха в зоне Невского проспекта. №

Сс/ПДКсс

1 2 3 4 5 6 7 8

8 7 6 5 4 3 2 1

Качественная оценка Катастрофическая Запредельная Критическая Опасная Допустимая Приемлемая Удовлетворительная Хорошая

Рассчитанное Значение μ

Контрольная работа № 2 В Предварительная информация. Формула Аверьянова дает оценку состояния атмосферного воздуха лишь на качественном уровне в привязке к нормативам ПДК. ПДК являются санитарно-токсикологическими величинами и далеко не всегда дают адекватную ситуации оценку качества атмосферного воздуха. Иначе говоря, подход на основе формулы Аверьянова и нормативов ПДК имеет свои ограничения. Как указывалось выше, этот факт и другие причины вынуждают разрабатывать новые количественные методы оценки состояния и качества атмосферного воздуха. Один из таких методов основан на применении экологических индикаторов и индексов, в том числе индексов качества. Под экологическим индикатором следует понимать специально разработанный информационный показатель, с помощью которого можно количественно представить информацию об экологическом состоянии и качестве окружающей среды или ее отдельного компонента. При этом индикатор рассматривается как 35

количественная мера величины, мера качества (мера свойства) или мера процесса. Далеко не всякая величина может рассматриваться как индикатор. Необходимо также, чтобы одновременно с этим экологический индикатор удовлетворял следующим четырем требованиям. Первое - был научно обоснован, второе - обладал требуемой: чувствительностью, третье - был прост в интерпретации, четвертое обладал способностью к агрегативности, то есть свойством свертки. Обоснованием и построением индикаторов занимаются ученые многих стран мира. Работают над этой проблемой и в России, в частности, В Санкт-Петербурге. Пусть, как уже отмечено выше, за базовый уровень экологической безопасности (уровень отсчета) выбраны значения ПДК. Введем еще одну величину - М - значение концентрации конкретного 3В, приводящее к угнетению жизненных функций человеческого организма и потере им работоспособности. Важно отметить, что М всегда больше ПДК. Величина М также приводится в справочных руководствах. Область значений концентраций 3В, лежащая между фоновыми значениями и ПДК назовем безопасной зоной. Значения концентраций 3В, заключенные в диапазоне М ПДК назовем опасной зоной концентраций 3В. Составим равенство Ci/Mi = α(Мi-ПДКi) /Mi ,

(4)

где индекс i - номер 3В, безразмерный коэффициент α называется коэффициентом опасности. Он показывает, какую часть опасной зоны, то есть (М - ПДК) составляет отношение фактической концентрации С 3В к ПДК. Величина обратная α, а именно β = 1/α, может быть интерпретирована как экологический индикатор. Действительно, она показывает, во сколько раз в данном компоненте окружающей среды зона опасности больше или меньше реального содержания 3В в области, охватываемой измерениями. Введенный таким образом экологический индикатор по численному значению может быть меньше и больше единицы. Соответственно сказанному преобразуем формулу (4) и решим уравнение относительно α. Получим, экологический индикатор равен: β = (М - ПДК)ПДК / МС

(5)

Экологический индикатор в формуле (5) называется простым. Для получения обобщенного показателя необходимо применить следующее соотношение: 1/βоб = l /β1 + 1/ β2 + ....+ 1/ βn

(6),

где n - число 3В подлежащих контролю, то есть обратное значение обобщенного экологического индикатора равно сумме обратных значений простых индикаторов. Задание: Провести расчет оценки состояния атмосферного воздуха в районе Санкт-Петербурга с помощью экологических индикаторов и индексов, разработанных на кафедре "Психологии, экологии, педагогики и психогигиены" СЗТУ. Расчет экологических индикаторов по формуле (5) для всех шести приоритетных 3В необходимо провести в следующем порядке: - выбрать район Санкт-Петербурга, однако, желательно, чтобы он совпал с районом, выбранным по первому сценарию; - взять из отчетов Управления по охране окружающей среды Санкт-Петербурга значения измеренных (фактических) концентраций Сi для всех 3В; - значения М и всех трех типов ПДК также взять из справочной литературы и выписать их; - на основании всех этих данных вычислить все 18 значений простых экологических индикаторов; - для каждого типа ПДК по формуле (6) подсчитать значения обобщенных 36

индикаторов. Если значения обобщенных индикаторов больше двух, то экологическая обстановка может считаться удовлетворительной, если же значение обобщенного экологического индикатора меньше двух, то экологическая обстановка неудовлетворительная; - представить результаты в форме таблицы аналогичной табл. 2; - провести оценку качества атмосферного воздуха в исследуемом районе по формуле: μ1 = λ / 6

(7),

где λ - число простых экологических индикаторов для данного типа ПДК, численные значения которых оказались больше двух. Оценку λ провести трижды для всех трех типов ПДК. Вычислить среднее значение по формуле: μср. = (λ1 + λ2 + λ3 )/ 3 (8). - оформить полученные результаты, сделать выводы. Провести на качественном уровне сопоставление результатов оценки атмосферного воздуха, проведенных по сценарию второму и сценарию третьему.

37