Биосфера. Същност, структура и еволюция. Антропосфера, техносфера, социосфера и ноосфера

Термина биосфера за пръв път е използван от австрийския геолог E. Suss в трудът му “Ликът на Земята”. Като учения академик Вернадски – биосферата е една от земните обвивки, в нея са съсредоточени живите организми и резултата от тяхната дейност. Биосферата включва цялата хидросфера, тропосфера (долната част на въздуха, геосфера – ¾ от въздуха), долната част на стратосферата (включва озоновия екран), стратиосферата (слоестата горна част на литосферата- утаечната повърхност). Биосферата достига 20-25 километра в литосферата до 2-3 километра, 1-2 километра по дъното на океана, а в хидросферата 11 километра.

Биосферата не еднородна – на места е съсредоточено по- голямо количество живо в-во и продукти от обмяната. Тази част от биосферата, в която е съсредоточена по- компактна част от живото в-во е биострома (Лавренис) (слой на живата епигенема, фитогеосфера, витасфера). Биостромата се формира там, където се допират трите геосфери. Три типа:

1. 
   Надводна (планктонна) – формира се на компактнат повърхност между хидросферата и атмосферата.
   
2. 
   Бентостна (подводна) – формира се между хидросферата и литосферата
   
3. 
   Сухоземна – между атмосферата и литосферата
   

Сухоземната биостома заема пространство от няколко сантиметра до няколко десетки метра, рядко до 150 метра над земната повърхност и няколоко 10-ки метра (10-30); максимум 1700 метра – нефтени находища под земната повърхност. Биостромата е на дълбочина 350- 400 метра под водата. Биостромата се подделя на отделни функционални единици- биосистемите. Биостромата има огромно значение за биосферата- това е най- активната и част. Там се фиксира слънчева енергия, извършва се биологичен кръговрат и се отделят необходимите за живота газове в трите геосфери. В резултат на функционирането на биостромата коренно са се изменили и се изменят съществуващите геосфери. Изменя се и газовият състав на атмосферата- съдържал е: N,NH₃, CO₂, CH₄, водни пари. Отсъствал е кислород. Сега атмосферата съдържа: N, O₂, CO₂, Oзонов слой: имат биогенен произход. Променена е литосферата. Смята се, че около 99% от цялото и в-во в горните й слоеве е трансформирано от живите организми. Почвата е биокостно тяло, продукт от взаимодействието на живите организми и неживата част на сухоземната биострама. Благодарение на биологичния кръговрат се поддържа плодородието на почвата. Смята се, че съвременната хидросфера има биогенен произход.

Сумарната биомаса на организмите на Земята е 2,4.10¹² тона, като около 99,87% е съсредоточена на сушата. Биосферата е възникнала преди около 3,4- 4,5.10⁶ г. и е в непрекъснато развитие.еволюцията и протича под влиянието на алогенни (външни) фактори- геологични и климатични промени и аутогенни (вътрешни), обусловени от активността на живите компоненти. Еволюцията е преминала през следните етапи и периоди:

І Период на биогенеза

1. 
   възникване на живата от нежива материя:
   

• 
  образуване на прости органични съединения- захари, амино киселини и други от метан, амоняк, водород, водни пари при високи температури, УВ и голяма вулканична дейност.
  
• 
  Възникване на първичен кръговрат на органични съединения на основата на синтез и разпад на органични материали, при което продукщтите от разпада на едни материали се използват за синтеза на други.
  
• 
  Възникване на коацервати по- устойчиви полутечни сгъстявания от органични в-ва от граничени от средата.
  
• 
  Възникване на способност за възпроизводство на коацерватите на основата на разпадане и формиране на дъщерни капки.
  
• 
  Възникване на способността за обмяна на информация със средатана основата на избирателното поглъщане на в-ва и отделяне на ненужните съединения.
  
• 
  Възникване на различия между химичния състав на коацерватите и средата и химичния състав на отделните коацервати.
  
• 
  Постепенно превръщане на коацерватите в прости живи организми.
  

2. 
   възникване и развитие на многоклетъчността, което според колониалната хипотеза е резултат от незавършена биопродукция. Стадии:
   

2.2) различна диференциация при многоклетъчните организми при известни различия в средата. Това е основата на биологичното разнообразие.

2.3) смяна на кръговрата на органичните в-ва с биологичен кръговрат на основата на възникването и разграждането на живите организми.

3. 
   проникване на живота в различни части на Земята с различни физико- химични условия. Овладяване на сушата
   

4. 
   възникване на човека- антропогенеза. Обхваща последният период на кайнозойската ера. Еволюцията на живота обхваща шест ери с продължителност 3,5.10⁶ години. Антропогенезата продължава 1,5.10⁶ г. Антропогенезата се характерзира с високи темпове на развитие на човека, като движеща сила е обществената и трудовата дейност. Човешкото общество с обособяването му е един от последователните етапи от развитието на живота. Той се превръща в мощна сила, която съзнателно, целенасочено, закономерно и необратимо влияе върху биосферата.
   

Това е период на разумно регулиране на взаимоотношението човек/природа. Основна движеща кила на еволюцията е разумът. Постепенното превръщане на биосферата в ноосфера е закономерен етап в развитието й. С появата на човека според Вернадски се формира антропосфера, социосфера и техносфера, които са земните компоненти на преобразуваната от човека биосфера. Ноосферата е най- висшият стадий в еволюцията на биосферата. Обхваща земната биосфера и част от космическото пространство. Въз основа на развитието на науката е техниката човек ще може да формира и проектира природо- техническа среда. Поставят се въпросе как да се избегнат необратимите последствията от антропогенната дейност, т.е. да се предотврати разпадането на биосферата и човека да дочака окончателната еволюция в ноосферата. Тъй като не е възможно да се спре развитието на средата, социалния и научно- техническия прогрес на човешката общност, то следва и така да се управлява процесите на взаимодействие между човека и биосферата, че да са взаимоизгодни- чрез постигане на балансираност между положителните и отрицателните обратни връзки между обществото и средата. С възникване на ноогенезата е свързано и възникването на науката ноотеника- наука за взаимоуправление на взаимодействието общество- природа. Главна задача е “изправяне” на нарушенията в биосферата в резултата на човешката дейност и предотвратяване на такива въздействия в бъдеще.

Атмосферата (газовата обвивка на Земята) е с маса 5,9.10¹⁵t и слоиста структура. Състои се от няколко сфери: тропосфера, стратосфера, мезосфера, термосфера (йоносфера), екзосфера. Между тези сфери са разположени и преходни сфери- паузи. В отделните сфери се изменя количествено и качествено състава на въздуха и температурата.

Над 4/5 от въздуха е съсредоточен в тропосферата (най- долния). Дебелината и е 10-12 километра в средните, 16-18 в екватора и 7-10 киламетра в северните ширини. Тропосферата се характеризира с неустойчиви температура, налягане, влажност; голямя подвижност- вертикално и хоризонтално движение във връзка с неравномерното нагряване на Земната повърхност. В резултат на йонизация молекулите на въздуха в стратосферата на височина 24-40 киламетра се формира озоновият слой. Атмосферата е надеждна защита от късовълновата радиация и метеоритен дъжд. Ако няма атмосфера на всеки км² от Земята на 3-4 дена ще пада по един метеорит. Без атмосфера температурните амплитуди ще бъдат 200^оС. Въздухът е необходим и за нормалното протичане на нормалните жизнени процеси при повечето организнми. Човек използва за едно денонощие повече от 500 литра кислород, пропскайки над 10000 литра въздух. За това време той приема около два килограма храна и вода. В процеса на еволюция повечето живи организми са изработили различни приспособления срещу токсичните в-ва, попадащи в храносмилателната система. Такива приспособления срещу отровните газове без цвят, аромати и вкус (с технологичен произход) няма. Промишлените замърсители на атмосферата са 2 групи: първични и вторични.

Първичните непосредствено постъпват в атмосферата от различни източници, а вторичните се образуват при фотохимичното окисление и други процеси на първичните. Вторичните могат да бъдат и по- токсични от първичните. Съществуват много и разнообразни класификации на замърсителите.

І. Според агрегатното си състояние: твърди, течни, газообразни и смесени

ІІ. Според организирането на изхвърляне и контрол: организирани, неорганизирани

Организираното промишлено изхвърляне е чрез газопроводи, тръби и комини.

Неорганизираното изхвърляне постпва в атмосферата като ненасочени газови потоци.

ІІІ. По режим на изхвърляне:непрекъснати и периодически

ІV. Според локализацията на замърсителите: от основното производство, от спомагателното.

V. Според температурата на замърсителите: нагрети и студени

VІ. Според степента на очистване:

1. 
   Замърсители изхвърляни без очистване: организирани и неорганизирани
   
2. 
   Замърсители изхвърляни след очистване: организирани
   

1. 
   Механични - дим, пепел, прах, сажди
   
2. 
   Химични –SO₂, СО, FeO
   
3. 
   Физични – радиоактивни лъчения, шум, топлинни замърсители
   

Природните биват:

• 
  Извънземни- космически прах, при изгаряне на метеоритите 2-5.10⁶ t/y
  
• 
  Земни- континентите предизвикват неорганично замърсяване, появяващо се при изветряване на почвата, при горски и степни пожари, прашни бури, вулканична дейност. Континеталните източници могат да предизвикат и органично замърсяване.
  
• 
  Морски
  

Изкуствените (антропогенните) биват:

• 
  промишлени
  
• 
  транспортни
  
• 
  нефто и газопреработващи предприятия
  
• 
  атомни реактори
  
• 
  бит
  
• 
  други
  

Нефтодобиващите и преработващите предприятия- въглеводороди, SO₂ и задушливи газове- ацетон, толуол, изопрен.

Химична промишленост- прах, SO₂, H₂S, CS₂, Cl₂, Pb, азотни окиси, железни съединения.

Изпитването на атомни оръжия, АЕЦ, недостатъчно ефективното обезвреждане на атомни отпадъци води до повишаване нивото на радиоактивността

Своеобразна форма на замърсител е шумът – слабите шумове (по- ниски от 20 dB) успокояват. Над 90-120 dB увреждат слуха и нервната система. Топлинното замърсяване е най- силно изразено над големите градове и промишлените зони- различен от регионалния климат.

Последствия от замърсяване на атмосферата. Най- голямо участие имат въглеродните окиси, съединенията на сярата, азота, въглеводородите и прахта. В земната атмосфера ежегодно се изхвърлят повече от 200 милиона тона въглеродни окиси, 20 милиарда тона въглероден диоксид, 150 милиона тона SO₂, 53 милиона тона азотни окиси, 250 милиона тона прах, 120 милиона тона пепел, 50 милиона тона въглеводороди. Глобално последствие от научно-техническата революция е насищането на атмосферата с въглеродни оксиди.

Промените на състава и замърсяване на атмосферата е свързано с нарушение на енергииния баланс на Земята, нарушаване на нормалното функциониране на екосистемите и влошаване здравето на хората. Основни фактори, водещи до изменение на енергииния баланс са:

-промени на албедото на земната повърхност

-промени в прозрачността на атмосферата и отделяне в нея на голямо количество топлина.

Албедото се променя чрез култивиране на определен тип растителност, унищожаването на климаксните съобщества, при хидро мелиоративни мероприятия (напояване/засушаване) и запрашаване. Хигиенния стандарт допуска допуска обща запрашеност от около тон и половина на хектар, но в определени райони може да достигне до 60 тона на хектар. Повишената запрашеност води до повишено количество на отразената слънчева радиация – намалява температурата на въздуха. Частиците прах попадащи на повърхността на ледниците поглъщат слънчевата светлина и способстват за разтапянето им. Основна роля за променената прозрачност на атмосферата има и повишаването на въглеродния диоксид средно с 5-10.10⁹ тона на година. За последните 10 години количеството му се е повишило с повече от 10%. Той пропуска късовълновите лъчи и поглъща отразените от земята инфрачервени лъчи, това води до образуването на парниковия ефект и непосредствено влияе върху топлинния баланс.

Прозрачността зависи и от съдържаниета на водни пари – антропогенният ефект е повишаването им. Повишаването на водните пари води до намаляване защитната роля на озоновия екран, а съдържанието на водни пари в тропосферата води до промени в климата.

Разсейваната по време на горенето топлина оказва влияние върху топлинния баланс. Ежегодно се отделят 14,2.10⁶ KJ топлина при изгаряне на топливо. Температурата на въздуха над големите градове е с 1-2 градуса по- висока във връзка с отделянето на техногенна топлина. Изменението на топлинния баланс може да доведе до затопляне или застудяване на атмосферата. Затоплянето на атмосферата с 1-2 градуса ще предизвика разтопяване на ледените шапки в Гренландия и Антарктика, това ще доведе до заливане и тектонически последици. Застудяването би довело до ледников период.

Количеството на озона в атмосферата е 2.10^-6 % от обема на атмосферата, но озона има важна биологична роля. Окислението му от някои в-ва, продукти от горенето на самолетни и ракетни горива ще доведе до увеличаване радиацията на Земята. Тези дози ще бъдат увеличени с разрушаването на озона.

Изчислено е, че 3% от наличните запаси кислород биха се използвали за изгаряне на всички запаси от изкопаемо гориво. Темповете на използване на кислород изпреварват отделянето му. Една лека кола за 1000-1500 км изгаря необходимото годишно количество за човек.

Същественото намаляване на кислородните запаси оказва замърсяване на световния океан с Hg, ДДТ, пестициди и други унищожаващи продукти. Отделеният кислород от фотосинтезата на планктона е 30-70% от кислорода в атмосферата. При ускорените темпове на техническия прогрес, кислородът ще намалее с една трета за около 200 години. Човешкият организъм е чувствителен при намаляването му с 1%.

Поддържането на нивото на кислорода в атмосферата е важно не само за биологичните организми, но и запазване газовия баланс и стабилността на атмосферата. Под действието на слънчевата радиация в атмосферата се извършват реакции, в които участват кислород, азот, въглеродни и азотни окиси, при което кислорода може да встъпи в реакции с въглеводородите и да се получат вторични замърсяващи в-ва – алдехиди, формалдехиди – фотохимичен смог.

Един от съществените екологични проблеми е замърсяването на атмосферата с серни съединения. Според някои по- замърсено е северното полукълбо, където 90% от сярата е с антропогенен произход. SO₂ оказво вредно действие върху продуцентите. Постъпвайки в листата угнетява клетките и предизвиква хлорози и те изсъхват. SO₂ и други серни съединения имат имат дразнещо действие върху дихателните пътища и слизестите обвивки на очите. Продължителното им действие в малки концентрации води до появата на хроничен бронхит, ларингит, гастрит, рак и на други болести. Газобразният SO₂ в атмосферата се окислява до SO₃ от озона или от водородния прекис. Процесът се контролира от следи на метали Mn. Друг начин е образуването на SO₄^2- и H₂SO₄. В сравнение с SO₂, SO₄^2- имат по- силно изразен биологичен ефект при равни концентрации. В зависимост от влажността на атмосферата SO₂ може да съществува от няколко часа до няколко дни. Отношението SO₂/SO₄^2- намалява с височината, на малка височина преобладава SO₂. Строителството на високите комини е свързано с преноса и разсейването на SO₂ във връхните слоеве на тропосферата, това води до самоочистване на атмосферата. Това обаче увеличава времето на престой на SO₂ в тропосферата и вероятността му за превръщане в SO₄^2- и H₂SO₄ и падане на кисели валежи.

Според някои автори от 1955 година киселиността на дъждовната вода се е покачила над 40 пъти. Отбелязани са случаи на валежи с рН по- малко от две над промишлени райони – руши сградите. Киселинните дъждове оказват силно изразен отрицателено влияние върху стабилността и функционирането на земните и водните екосистеми. Установено е, че при постоянното им въздействие се задържа растежа, намалява се продуктивността на растителните видове на селскоктопанските култури. За съхраняване на равновесието в биотопа във водоемите е предложено варуване на 2-3 години, но това е много скъпо.

При SO₄^2- в атмосферата се образуват мъгли и се намалява прозрачността на въздуха.

(NH₄)₂SO₄ и NH₄HSO₄^- - праховидни частици с размери 0.1 –1 микрона, които са силно хигроскопични. Те задържат влагата и разсейват светлината. Те оказват отрицателно влияние върху човешкото здраве. Световните запаси от сяра са почти изтощени. Разработване на методи за улавяне на SO₂ и превръщането му в сяра и сулфати. Най- много SO₂ се отделя от топлоенергията, черната и цветната металургия, химическата и нефтохимическата промишленост и транспорта.

38. Методи за опазване и очистване на атмосферата от замърсяване

Естествен начин на очистване на атмосферата от замърсители е способността и на самоочистване чрез разсейване и утаяване на замърсителите или чрез неутрализирането им от природни съединения, които реагират с тях. Природните способности за самопречистване са по- малки в сравнение с обема и скоростта на натрупване на промишлени битови и транспортни замрсители. Във връзка с това широко се прилагат различни локални и глобални мерки за очистване.

1. 
   Заводски комини – замърсителите се отвеждат далеч – самоочистване (разсейване, утаяване)
   
2. 
   Улавяне на замърдителите и технологична обработка – различни методи за различните замърсители. Различни устройства и оборудване за улавяне на техногенната прах използват се различни механизми – гравитационни, инерционни, центробежни, дифузионни, електрически.
   

1. 
   Механични
   

1. 
   Сухи - гравитационни, инерционни, центробежни
   
2. 
   Филтрационни – влакнести тъкани
   
3. 
   Мокри – капкови, ципести и барбутажни.
   

2. 
   Електрически
   

1. 
   Еднозонни
   
2. 
   Двузонни
   

1. 
   Некаталитични методи - извеждат се вредните примеси чрез кондензация или чрез поглъщане от течни или твърди в-ва. Те се разделят на: абсорбционни, хемосорбционни и адсорбционни.
   
2. 
   каталитични методи – примесите се превръщат в други в-ва, които се утаяват.
   

Хемосорбционните методи широко се използват за очистване на газове от CO, CO₂, азотни окиси, SO₂, H₂S. Отделяните химически замърсители реагират с течни хемосорбенти – разтвори на минерални и органични в-ва, суспензии и т.н. Например очистването на газовете от SO2 се извършва с хемосорбенти варено мляко, Na₂SO₃, NaOH, MgO + MgSO₃, ZnO, Na₃PO₄.

Адсорбционните методи се използват за очистване на газове с малка концентрация. Газовете се поглъщат и задържат от твърди порести в-ва – физична адсорбция, химична адсорбция. Адсорбцията протича в три фази:

• 
  Пренос на газови молекули към външната повърхност на адсорбента
  
• 
  Проникване в порите
  
• 
  Физическа и химическа адсорбция
  

Недостатъци: могат да се пречистват само сухи, незапрашени газове, които да преминават през адсорбента с малка скорост. Очистването се извършва в адсорбенти, които могат да бъдат с неподвижни, с движещи се или с неподвижни или псевдо нагорещен слой от сорбента. С периодично или непериодично действие. За адсорбция на СО2 се използва активен въглен, калциев карбонат, дуламит, активен магнезиев окис.

Каталитичните методи са на основата на химичните превръщания на токсичните в нетоксични компоненти на повърхността на катализатора. На подобно очистване се подлагат газове не съдържащи прах и катализаторни отрови.

3. 
   Разработване на безотпадни технологии – използване без остатък на всички изходни суровини.
   
4. 
   Подобряване качествата на топливата чрез предварителна обработка на въглищата за намаляване на сярното съдържание.
   

Газификация, електрификация и т.н.

5. 
   Ограничаване на замърсяването от автотранспорта чрез създаване на система от филтри и догарящи устройства – безоловен бензин. Подобряване организацията на движение. Замяна на двигателите с вътрешно горене с други двиганели – слънчеви батерии, турбини, но са с малък пробег: 100-200 км.
   
6. 
   Рационално разпределение на промишлените зони извън градовете. Създаване на зелени зони.
   
7. 
   Използване на аяяажа
   
8. 
   Постоянен контрол от съответните станции върху изправността на съоръженията за очистване.