Характеристика водного середовища

Вода, в якій розпочалося життя на Землі, - це важливий екологічний фактор, що визначається її фізичними властивостями, зокрема, прозорістю, густиною, теплопровідністю і теплоємністю, а також текучістю. Остання зумовлює циркуляцію в озерах і ставках.

Запаси води на Землі величезні – 1,46*10 км , тобто 0,025% усієї маси Землі. Проте абсолютна більшість цієї колосальної маси – це гірко-солона морська вода, непридатна для пиття та технологічного використання. Прісна вода на планеті становить лише 2% від її загальної кількості, причому 85% її зосереджено в льодовикових щитах Гренландії й Антарктиди, айсбергах і гірських льодовиках. Лише близько 1 % прісної води – це річки, прісноводні озера й деяка частина підземних вод; саме ці джерела й використовуються людством для своїх потреб.

Вода виконує дуже важливі екологічні функції:

1. це головна складова частина всіх живих організмів (тіло людини, наприклад, на 70% складається з води, а деякі організми, такі як медуза чи огірок, містять у собі від 98 до 99% води);

2. основний механізм здійснення взаємозв’язків усіх процесів у екосистемах (обмін речовин, енергії, тепла, ріст біомаси);

3. головний агент – переносник глобальних біоенергетичних екологічних циклів;

4. води Світового океану є основним кліматоутворюючим фактором, основним акумулятором сонячної енергії і «кухнею» погоди для всієї планети;

5. одним із найважливіших видів мінеральної сировини, головний природний ресурс споживання людства (людство використовує її в тисячу разів більше, ніж нафти чи вугілля).

Водне середовище однофазне - в ньому різко переважає рідка фаза. Одночасно природна вода, яка утворює гідросферу, являє собою складну полідисперсну систему, що складається з водних розчинів і зважених частинок неорганічних і органічних речовин, а також із живих органічних тіл, котрі втримуються в системі за рахунок різниці співвідношень маси, постійного перемішування і переміщення водних мас або активної протидії силі тяжіння з боку живих організмів.

У поняття гідросфери включають і дно водоймища (тверда фаза), і приводний шар повітря (газоподібна фаза). Велике значення мають площини контактів цих фаз: дно-вода, вода-повітря. Це складні біогоризонти, насичені живими організмами. Відомо, що основну масу гідросфери Землі утворюють води Світового океану (95,5% за об'ємом), які містять величезну кількість органічної речовини, в тому числі незначну частку живих організмів - не більше 3 млрд. т., або 0,15%.

Головним джерелом тепла, яке надходить у водні шари, є сонячна енергія. Сонячне проміння, проникаючи крізь водну поверхню, поглинається і розсіюється водою, розчиненими в ній речовинами і зваженими частинками. Поширення радіації у воді підпорядковується загальному закону послаблення радіації.

Сонячне тепло завдяки малій теплопровідності води майже не передається на глибину. Переміщення теплих мас з поверхні на глибину відбувається за рахунок вертикального переміщення (вітрового, конвективного, турбулентного у прісних порівняно мілководних водоймах), а також за рахунок глибинних течій у морських водах. Прогрівання шарів води, як у внутрішніх водоймах, так і в морях має сезонний характер.

Важливими фізичними властивостями води є її висока густина, яка послаблює земне тяжіння, що дає змогу гідробіонтам мікроскопічних розмірів перебувати у зваженому стані. Більші за розміром гідробіонти для полегшення плавання знижують свою густину, включаючи до складу тіла велику кількість води (медузи), жирових крапель (діатомові водорості), повітря (ламінарії і молюск наутілус), а також утворюючи різні відростки.

Водне середовище сформувало планктонні організми з характерною формою тіла, що дає можливість їм легко утримуватись "на плаву" або, "ширяти" у водному просторі (медузи, лангусти, молюски). Цьому також сприяє розмір організмів: невеликі тіла зоопланктону мають теж здатність "ширяння" у водній товщі.

До прісних вод належать стоячі та проточні води. Рух води приводить до вирівнювання температури у всій її товщі, а також до збагачення киснем. Текучі води в процесі адаптації формували тіло риб, яке, наприклад у форелі, в поперечному розрізі є округле, тоді як у риб стоячих вод (ставків, озер) воно плоске (короп, карась, окунь). Своєрідним для тварин швидко текучих вод є екологічне пристосування -реотропізм, тварини приймають певне положення відносно течії і намагаються подолати її.

У воді в розчиненому стані присутні гази і мінеральні солі. Велике екологічне значення має кількість розчиненого у воді кисню. У солоній воді розчинність кисню на 20% нижча, ніж у прісній. Перенасиченість киснем можна спостерігати у водах озер і ставків, багатих на рослинність, що містить хлорофіл.

Залежно від кількісного вмісту і розподілу у воді стоячих водойм кисню, а також характеру і чисельності у них організмів, що населяють їх, водойми поділяють на три групи:

- оліготрофні (небагаті на корм) - глибоководні озера з низькою температурою в нижніх шарах водяної товщі, багатої на кисень. У цій воді добре розвиваються лососеві, форель (озера - Пісочне на Поліссі, Синевир у Карпатах). Тут повільніше розкладається органічний відпад і вода в них голуба і прозора;

- еутрофні (багаті на корм) - неглибокі, придонні води мають більшу температуру, ніж оліготрофні. Тут добре розвиваються різноманітні організми, а також добре перебігають процеси їх відпаду і розкладання. Вода в таких водоймах зелена. Риби тут задовольняються невеликою кількістю кисню;

- дистрофні (бідні на корм). В їхніх водах нагромадилась велика кількість гумінових кислот, що робить їх кислими і коричнюватими (Янівське озеро біля Львова).

У прісній і особливо морській воді значно більша кількість вуглекислого газу. Наприклад, у морській воді його міститься від 40-50 см³/л (у вільній або зв'язаній формі, що в 150 разів перевищує його концентрацію в атмосферному повітрі). Вуглекислий газ відіграє значну роль у забезпеченні процесу фотосинтезу водяних зелених рослин, а також формуванні вапняних утворень (раковин, панцирів) безхребетних.

У природних водах концентрація солей різна. Наприклад, у прісних водах вища карбонатність (близько 80%), у морських більше хлоридів (в Чорному морі їх 80,7%), а в Аральському і Каспійському морях, крім хлоридів (близько 60%), присутні сульфати (30%).

Важливою складовою прісних вод є кальцій, який часто відіграє роль обмежуючого фактора. Розрізняють води "м'які" (кальцію 9 мг/л) і "жорсткі" (понад 25 мг/л).

Забруднення води

У результаті діяльності людей гідросфера Землі змінюється. Серед цих змін розрізняють кількісні (зміна кількості води, придатної для використання) й якісні (забруднення води внаслідок антропогенного впливу).

Забруднення води поділяють на фізичне, хімічне, біологічне й теплове.

Фізичне забруднення виникає внаслідок збільшення у воді нерозчинених домішок – піску, глини, намулу за рахунок змиву дощовими водами з розораних ділянок (полів), надходження суспензій з діючих підприємств гірничорудної промисловості, пилу, що переноситься вітром у суху погоду тощо. Тверді частки знижують прозорість води, пригнічуючи розвиток водних рослин, забивають зябра риб та інших водних тварин, погіршують смакові якості води, а то й роблять її взагалі непридатною для споживання.

Хімічне забруднення води відбувається за рахунок надходження у водойми з стічними водами різних шкідливих домішок неорганічного (кислоти, луги, мінеральні солі) і органічного походження (нафта і нафтопродукти, миючі засоби, пестициди, тощо). Шкідлива дія токсичних речовин, що потрапляє у водойми, посилюється за рахунок так званого кумулятивного ефекту, що полягає в прогресуючому збільшенні вмісту шкідливих сполук у кожній послідовній ланці харчового ланцюжка. Так, у фітопланктоні вміст шкідливих сполук виявляється в десятеро вищим, ніж у воді, в зоопланктоні (личинки, дрібні рачки тощо) – ще в десятеро, в рибі, яка харчується зоопланктоном, - ще в десятеро. А в організмі живих риб (таких, як щука чи судак) концентрація отрути збільшується ще в десятеро і, отже, буде в десять тисяч разів вищою, ніж у воді!

Особливої шкоди водоймам завдають нафта й нафтопродукти, які утворюють на поверхні плівку, що перешкоджає газообмінові між водою і атмосферою, і знижує вміст кисню у воді; 1 т. нафти здатна розпливтись плівкою на 12 км поверхні води. Осідаючи на дно, згустки мазуту вбивають донні мікроорганізми, що беруть участь у самоочищенні води. Гниття донних відкладів, забруднених органічними сполуками, супроводжується виділенням у воду отруйних сполук, зокрема, гідрогенсульфуру, що забруднює всю воду в річці чи озері.

Основними забруднювачами води є хімічні, нафтопереробні і целюлозопаперові заводи, великі тваринницькі комплекси, гірничорудна промисловість. Останнім часом особливе місце серед забруднювачів води посідають синтетичні миючі засоби. Ці речовини надзвичайно стійкі, зберігаються у воді роками. Більшість із них містить фосфор, що сприяє бурхливому розмноженню у воді синьо-зелених водоростей і „цвітінню” водойм, яке супроводжується різким зниженням у воді вмісту кисню, „заморами” риби, загибеллю інших водних тварин. Під час „цвітіння” Каховського та інших „рукотворних” морів на Дніпрі стоїть сморід, а хвилі викидають на берег трупи риби, що задихнулася.

Біологічне забруднення водойм полягає у надходженні в них зі стічними водами різних мікроорганізмів (бактерій, вірусів), спор грибків, яєць червів і т.д., багато з яких є хвороботворними для людей, тварин і рослин. Серед біологічних забруднювачів перше місце посідають комунально-побутові стоки (особливо, якщо вони неочищені чи очищені недостатньо), а також стоки підприємств, м’ясокомбінатів, заводів, що обробляють шкіру, деревообробних комбінатів. Особливої шкоди біологічне забруднення водойм завдає в місцях масового відпочинку людей (курортні зони, узбережжя морів). Через поганий стан каналізаційних та очисних споруд останнім часом в Одесі, Маріуполі й інших містах узбережжя Чорного й Азовського морів неодноразово закривались пляжі, оскільки в морській воді було виявлено збудників таких небезпечних хвороб, як холера, дизентерія, гепатит тощо.

Теплове забруднення води спричиняється спуском у водойми підігрітих вод ТЕС, АЕС та інших енергетичних установок. Тепла вода змінює термічний і біологічний режим водойм і шкідливо впливає на їх мешканців. Як показали дослідження гідробіологів, вода, нагріта до 26-30 С, діє пригнічуючи на риб та інших мешканців водойм, а якщо температура води піднімається до 36 С, вся риба гине. Найбільшу кількість теплої води викидають у водойми атомні електростанції.

3.Грунтове середовище (літосфера)

Охорона грунтів

Ґрунти — органо-мінеральний продукт багаторічної спільної діяльності живих організмів, води, повітря, сонячного тепла й світла. Це природні утворення, які характеризуються родючі­стю — здатністю забезпечувати рослини речовинами, необхідни­ми для їх життєдіяльності.

Найродючіші та найпотужніші ґрунти — чорноземи — форму­валися протягом багатьох тисячоліть у зонах лугових степів, де був сприятливий клімат (тепле літо, кількість опадів — 500— 600 мм на рік) і оптимальні умови для розвитку багатої трав'яної рослинності. Найбільші в світі запаси чорноземів зосереджено на території України. Про їхню цінність свідчить хоча б такий факт: у роки другої світової війни німецькі окупанти вивозили українсь­кі чорноземи залізничними ешелонами до Німеччини. Сьогодні, на жаль, запаси та якість цього неоціненного природного ресурсу в нашій державі значно зменшилися, що пояснюється варварсь­кою, непродуманою їх експлуатацією, ерозією, засоленням, відчу­женням земель під кар'єри й промислові об’єкти тощо.

Дуже важливим компонентом ґрунту є гумус (перегній) — органічна речовина, що утворилася з решток відмерлих рослин під впливом діяльності мікроорганізмів, які переробляють їх, розкладають, збагачують вуглекислим газом, водою, амоніаком та іншими речовинами. Ґрунтоутворення — важлива частина біоло­гічного кругообігу речовин і енергії. Грунт забезпечує рослини калієм і карбоном, нітрогеном і фосфором тощо. Родючість ґрунту залежить від кількості цих речовин в гумусі, гумусу в ґрунті та товщини шару ґрунту.

Ґрунт густо заселений різними тваринами і мікроорганізмами, залишаючись при цьому основним життєвим субстратом для рослин. Ґрунтова фауна, або едафон, включає представників багатьох найвищих за рангом таксонів. Вважається, що близько 90% видів комах на тих чи інших стадіях свого онтогенезу пов'язані з ґрунтом. В особливо сприятливих для життя умовах на 1 м² шару ґрунту і підстилки налічується до 1,5 мільйона найпростіших. Ґрунт став місцем проживання не лише безхребетних. У земляних сховищах багато хребетних навіть виводять нове потомство. Серед них і земноводні, і птахи, і ссавці. На окремих лісових ділянках порожнини нір крота становлять до 15% площі. Кроти, утворюючи в ґрунті численні ходи, спушують ґрунт, покращують його фізичні і водні властивості. В земляних нірках гніздяться берегові ластівки, рибалочки.

Різноманітний і багатий органічний світ ґрунту відіграє важливу роль у його трансформації. Прискорюючи розклад і загальний колообіг речовин, ґрунтові редуценти, тобто тварини, які живляться мертвими органічними речовинами, що розкладаються, збагачують ґрунт органічними сполуками, покращують його фізичні властивості: структуру, водопроникність, аерацію, а, отже, умови мінерального і водного живлення, росту і кореневого дихання рослин.

За хімічним складом ґрунт суттєво відрізняється від своєї материнської породи. Він складається з мінеральних, органічних і органо-мінеральних речовин. Головною особливістю хімічного складу ґрунту є присутність у ньому специфічної групи органічних речовин - гумусових. Визначальним для генезису ґрунтів і їх родючості є ґрунтовий розчин, який бере участь у процесах перетворення (руйнування і синтез) мінеральних і органічних речовин, переміщення вертикальними профілями різноманітних продуктів ґрунтоутворення, а головне - у живленні рослин. Тому дуже важливо знати його склад та властивості (реакцію, буферність, осмотичний тиск) і динаміку.

Ґрунти відіграють активну роль в очищенні природних і стічних вод, які крізь них фільтруються.

Охорона земних надр

Надра Землі використовуються людиною в кількох напрямах:

1) для добування корисних копалин;

2) зберігання рідких і газоподібних корисних копалин у при­родних і штучних сховищах;

3) створення різних споруд, сховищ і навіть цілих заво­дів;

4) транспортних комунікацій (метро, трубопроводи);

5) захоронення токсичних промислових і стічних вод. Голов­ним напрямом, звичайно, є добування мінеральної сировини.

Є два види діяльності людини, що мають особливо велике значення, оскільки від них залежить благополуччя суспільства: це робота сільського трудівника, що виробляє продукти харчу­вання, й робота гірника, шахтаря, що видобуває з надр Землі енергетичну й мінеральну сировину, без якої неможливе існу­вання всіх галузей господарства. При цьому якщо виробництво харчових продуктів прямопропорційне зростанню населення, то зростання енергомісткості й матеріаломісткості сучасного вироб­ництва відзначається значним випередженням по відношенню до зростання населення.

Як свідчать статистичні дані, при зростанні населення в 4,5 ра­зи потреба в енергії зростає в 12, а матеріалів, що добуваються з надр Землі,— в 9 разів.

При сучасній технології добування й переробки корисних копалин лише 1—5 % речовини, що добувається з надр, вико­ристовується у вигляді продукції, все решта йде у відвали й від­ходи.

На скільки ж років вистачить людству наявних запасів ко­рисних копалин і які вони, ці запаси? За даними науки геохімії, в десятикілометровій верхній товщі літосфери 99 % її маси скла­дають 12 хімічних елементів: О , Si, Al, Fe, Ca, Na, K, Mg, H, Ті, С і Сl . Усі інші елементи знаходять в дуже невеликих кількостях. Між тим людство використовує всі елементи таблиці Менделєєва, проте в різних кількостях. За останні десятиліття величезного значення для економіки всіх країн набули такі корисні копалини, як нафта й газ, алюміній, титан, хром, нікель, кобальт, уран, марганець, свинець та олово. Як вважають міжнародні експерти, за тих темпів споживання, які характерні для сучасної найрозви­ненішої країни світу — США — всі розвідані запаси цих корис­них копалин на материках будуть вичерпані за кілька десятиліть (для деяких — за одно-два століття).

Щоправда, ці прогнози не можна вважати остаточними. Слід враховувати додаткові фактори.

1. Не всі родовища корисних копалин ще відкрито й взято на облік. Особливо це стосується глибин літосфери понад 3-4 км, які вивчено ще дуже слабо. Крім того, величезні мінеральні ба­гатства містить Світовий океан. Це й родовища нафти та газу, і залізо-марганцеві та фосфоритові конкреції, і розсипні родовища золота, платини, алмазів, рідкісних металів тощо. Сьогодні ці багатства використовуються дуже мало.

2. У зв'язку з вичерпуванням багатих родовищ, розробкою нових технологій переробки руд у ряді випадків стає економічно вигідним переробляти так звані некондиційні руди, тобто руди з низьким вмістом корисних компонентів, які раніше йшли у від­вали. Так, до другої світової війни в Криворізькому залізорудному районі залізо добувалося з руд, які містили не менше 50 % цього елемента, бідніші руди йшли у відвали. Після війни кондиційни­ми стали вважати руди з 46% заліза. Тому стало економічно вигідним переробляти відвали, яких в цьому районі накопичилась величезна кількість. Інший приклад — родовища бітумінозних пісковиків, запаси яких у США величезні. З них можна добувати нафту, але при нинішніх цінах на цю сировину на міжнародному ринку нафта, добута з пісковиків, виявляється економічно нерента­бельною. Та ось «нафтова криза», що сталася в 70-х роках, призве­ла до того, що вчені США впритул зайнялися технологією отри­мання пального з бітумінозних пісковиків. Було затрачено великі кошти на наукові дослідження, в результаті собівартість нафти, отримуваної з пісковиків, вдалося знизити в кілька разів. Нафта, що добувається із «звичайних» родовищ, постійно дорожчає, і при
збільшенні її вартості вдвоє порівняно з цінами 90-го року, стане економічно вигідно добувати нафту з пісковиків.

3. Великі й ще не до кінця використані можливості економії та раціонального використання ресурсів стосуються й тих родовищ, що розробляються сьогодні у світі. Йдеться передусім про зни­ження кількісних і якісних втрат корисних копалин при їх добу­ванні. Кількісні втрати зумовлені тим, що частина руди чи ву­гілля залишається недобутою під землею — в ділянках між бло­ками і між шахтами, в так званих охоронних ціликах (стовпах породи, що їх залишають під землею, аби запобігти обвалам покрівлі). Якісні втрати спричиняються тим, що під час добування корисної копалини частина руди змішується з пустими породами, в результаті вміст металу в руді виявляється нижчим, зростає зольність вугілля тощо.

При добуванні корисних копалин відкритим способом (кар'єра­ми) втрати значно нижчі (10-12%), ніж при підземному, шахт­ному способі (30-40 %). Проте не кожне родовище можна розроб­ляти відкритим способом, а крім того, при такому способі вини­кають інші порушення природного середовища.

Значну економію ресурсів дають новітні технології добування корисних копалин -свердловинне гідродобування й вилугову­вання, підземна виплавка сірки, газифікація вугілля в надрах тощо. Дуже перспективними вважаються мікробіологічні методи добування корисних копалин: виведено такі різновиди бактерій, які, розкладаючи сульфіди й інші сполуки з дуже бідних руд, переводять деякі метали в розчинну у воді форму, звідки їх після цього можна вилучати економічно вигідним способом (так зараз добувають Zn, Mn, Au, Bi, Pb, U, Sb, Li і Ge).

4. Важливим в економії мінеральної сировини є використання вторинних ресурсів. Наукові розрахунки свідчать, що можна повторно використовувати до 70 % основних металів. Сьогодні ж у кращому разі промисловістю економічно розвинених країн використовується лише 30-40 % міді, заліза й інших металів, решта безповоротно втрачається, накопичується у звалищах, розсіюється, забруднюючи біосферу. Слід врахувати, що отримання сировини з вторинних ресурсів вимагає набагато менше затрат, в тому числі й енергетичних, ніж при отриманні цієї ж сировини з первинних руд. Наприклад, скло, одержане шляхом переплавки битих скляних виробів, пляшок тощо, вимагає вчетверо менших затрат електроенергії, ніж скло, отримане з первинних ресурсів (піску, поташу й ін.). Переробка вторинних ресурсів дає прибуток. Так, американські підприємства переробляють старі пластмасові пляшки від напоїв у все що завгодно — від стовпчиків для огорож до теплих прокладок у зимових куртках. Гори зношених автомо­більних шин перетворюють на ремені для вентиляторів, автодеталі і навіть нові шини. Алюміній, отриманий зі старих банок від пива, вдвоє дешевший алюмінію, який виплавляється з бокситів. До 70 % газет, що виходять у США, друкуються на папері, виго­товленому зі старих газет.

Все ширше в господарстві починають використовуватися замінники дефіцитних ресурсів. Так, в машинобудуванні 1 т полімерних матеріалів може замінити 3 т бронзи, свинцю й інших гостродефіцитних металів. Важкі, багатотонні опори для крупних велетнів, які раніше виготовлялись з чавуну, сьогодні з успіхом замінюють бетонними. Застосування нових конструкційних мате­ріалів — композитів дозволило конструкторам найбільшого в світі
(до речі, вітчизняного, українського) літака «Мрія» знизити його вагу на 3 т, а це дозволяє за період експлуатації кожної такої машини зекономити 18 тис. т (!) дефіцитного авіаційного паль­ного.

Зменшення обсягів видобування мінеральних ресурсів із надр Землі досягається також їх комплексним використанням. Прак­тично всі родовища твердих корисних копалин комплексні, тобто крім основного компоненту містять цілий ряд супутніх. Так, поліметалічні руди, крім основних металів (міді, свинцю та ніке­лю), містять ще Au, Ag, Pt, Sn, W, Mo, Co, As, Fe, Ba, Cd, Se, Те, In, Re та інші. Інколи цінність супутніх корисних компонентів вища, ніж основних.

Більшість залізних руд також багатокомпонентні. Це стосуєть­ся, наприклад, залізних руд нашого Криворіжжя, які, крім заліза, містять також V, Cu, Co, Ni, Ge, P, S, В, Та, Nb і Zr. He всі ці ко­рисні компоненти сьогодні вилучаються з криворізьких руд, хоча відповідні технології в світі існують.

Значно порушують земну поверхню гірничі розробки — шах­ти, кар'єри, свердловини. Підземні розробки викликають утво­рення пустот, тріщин у гірських породах, просідання ґрунту, обвали породи, осушування водоносних горизонтів. З гірських порід виділяються шкідливі гази (метан, гідрогенсульфур), спостері­гаються раптові прориви підземних вод, явища так званого «гірсь­кого удару» тощо. Проходження кар'єрів супроводжується великими штучними зниженнями рельєфу, по краях кар'єрів розвиваються зсуви, обвали, в районах кар'єрів і шахт відбувається значне пониження рівня ґрунтових вод. Навколо родовищ, що розроб­ляються, утворюються відвали пустих порід, терикони, що за­ймають великі площі родючих земель. Поверхневі водотоки за­бруднюються мінералізованими водами, що відкачуються з шахт­них горизонтів.

4. Повітряне середовище (атмосфера)