Вода и гидросфера
Экологические проблемы гидросферы можно условно разделить на внешние и внутренние. Внешние обусловлены тем, что она является составной частью биосферы и неразрывно связана с атмосферой и литосферой. Эти слои тесно взаимодействуют между собой и влияют друг на друга. Экологические проблемы, возникающие в одном слое, вызывают немедленную реакцию в остальных. Происходит своеобразный «обмен» проблемами. Внутренние проблемы гидросферы связаны в основном с ее главным составляющим ее веществом – водой.
Вода или оксид водорода – это неорганическое соединение из двух атомов водорода и одного кислорода, химическая формула которого Н2О. Обычно это прозрачная жидкость без цвета, вкуса и запаха. В твердом состоянии вода – это лед, а в газообразном – пар. Существует два основных природных вида воды – соленая и пресная. Основная масса соленой, которая непригодная для употребления в пищу и для сельскохозяйственного производства. Пресной – всего лишь 2,5% общего объема, из нее в живых организмах около 0,003%.
Общие характеристики
Жизнь на Земле возникла в воде, благодаря воде и существует. В организм человека содержание воды может быть до 75% и потеря даже 10% может привести к трагическому концу.
Основные биохимические процессы в живых организмах происходят в ней. Вода хороший природный растворитель. Причем растворяет как органические, так и неорганические вещества. Она обеспечивает хорошую скорость протекания химических реакций и сложность образующихся соединений.
Она поглощает инфракрасное и микроволновое излучение. Водяной пар является естественным парниковым газом.
Основная форма существования воды – жидкая. При нормальном атмосферном давлении и температуре 00С она переходит в твердое состояние, а при 1000С – кипит и превращается в пар. Вода еще уникальна тем, что может одновременно существовать во всех трех своих состояниях. Например, облака в небе над ледяными айсбергами на поверхности океана.
Вода различается по качеству, составу, происхождению, применению и так далее. Есть вода мягкая и жесткая, тяжелая и легкая, пресная и соленая, минеральная и питьевая, сточная и дистиллированная, талая и ливневая, поверхностная и грунтовая. В ней всегда присутствуют примеси и растворенные вещества. В литре даже самой пресной воды содержится 1 грамм солей.
В твердом состоянии вода легче, чем в жидком. Это еще одна ее особенность. При замерзании вода расширяется, и плотность льда меньше, чем ее плотность жидком состоянии. Потому вода замерзает сверху и лед плавает по ее поверхности. Морская вода обычной солености замерзает при температуре около – 20С. Если бы в один момент все ледники на планете растаяли, то уровень воды в Мировом океане поднялся на 64 метра и затопил 1/8 суши. Если бы поверхность Земли была ровная, как у биллиардного шара, то вода заняла всю ее поверхность трехкилометровым слоем.
Меньшая плотность льда дает возможность выжить некоторым живым организмам в нем замерзшим. Лед отражает 98% солнечных лучей, снег – 85%, а вода только 5%.
В мантии Земли воды в 12 раз больше чем в Мировом океане. В атмосфере она присутствует в виде мелких капель в облаках, тумане и паре. На почву выпадает в виде дождя, снега, града и росы. Вода распространена и над атмосферой – в космосе.
В гидросфере или водяном шаре, в переводе с греческого языка, содержится 1 533 000 000 км3 воды. Масса гидросферы составляет 1/4000 массы Земли, но в 275 раз больше атмосферы или 1,46х1021 кг. Она покрывает примерно 71% поверхности нашей планеты, что составляет 361,13 млн. км2. Водные объекты Земли есть естественные. Это: океаны, моря, реки, озера, болота и прочее. И искусственные – водохранилища, пруды, каналы и так далее. 96,5% всех запасов воды содержится в океанах. И по 1,7% – это грунтовые воды и ледники. Максимальная глубина Мирового океана 11022 метра. В его верхнем слое 140 трлн. Тонн углекислого газа и 8 трлн. Тонн кислорода. Основная масса живых организмов гидросферы располагается в ее поверхностном слое.
Водных ресурсов экологические проблемы заключаются в том, что количество воды на планете Земля ограничено и не возобновляемо. То есть, потребляя воду каждый день на различные нужды, мы исчерпываем ее не количественно, а качественно. И добавить «свеженькой» не получиться – взять негде.
Загрязнение воды экологическая проблема номер один на планете, потому что все остальные, возникающие у атмосферы и литосферы, связаны с ней и являются ее последствиями.
Области применения воды очень разнообразны. Но всегда она возвращается в природу с примесями и загрязнениями. Все чаще, после использования ее человеком, она стала содержать в своем составе такие химические вещества и соединения, которые не смогут быть переработаны или «нейтрализованы» природным способом. А главным таким способом является разбавление.
Использование
Для человека использование воды, это, прежде всего, удовлетворение жажды, то есть насыщение организма влагой. Количество воды и ее состав, необходимый для нормальной жизнедеятельности его организма, различен и зависит от многих внешних и внутренних показателей. С активным процессом урбанизации меняются способы обеспечения населения, и в первую очередь городского, водой для продовольственных и бытовых нужд. И если система водоснабжения еще может справиться с нагрузками по обеспечению необходимого качества воды, то канализационные системы с очисткой сточных вод – нет. Все, что человек «произвел» в результате своей жизнедеятельности попадает в реки и разносится далее по «системе» Мирового океана.
Одной из наиболее ранних потребностей использовать воду было сельское хозяйство. Особенно много использовали воды на нужды земледелия, а именно для полива или орошения земель. В некоторых климатических зонах такой способ ведения хозяйства требует до 90% всех имеющих в регионе водных ресурсов для выращивания удовлетворительного урожая культур. Такой большой объем отбираемой воды не всегда оправдан. Чаще всего из общего объема расходуется продуктивно не более 30%. Остальное так называемые потери, вызванные несовершенством доставки воды непосредственно к требующему полива объекту. Большая часть воды бесполезно просачивается в почву, другая испаряется, не принося никакого эффекта для повышения урожайности.
С большей или меньшей эффективностью использования, вода проходит через системы других сфер человеческой – промышленную, коммунальную, бытовую и другие.
Казалось бы, какая разница, ведь вода в конечном итоге опять попадет туда, откуда была взята. Когда-то она действительно вернется к своему источнику, но какое качество она будет иметь? Каков будет состав, присутствующих в ней примесей? А это как раз и есть главный вопрос. У воды экологические проблемы, как у глобального природного ресурса, возникают именно тогда, когда после использования человеком, она, загрязненная органическими и неорганическими веществами и соединениями, а также искусственно синтезированными веществами, попадает в глобальную систему Мирового океана.
Виды загрязнений
Существуют такие виды загрязнения воды: физическое, тепловое, химическое, органическое и поверхностное. К физическому относится попадание в нее таких веществ, как песок, глина, пыль, радиоактивные примеси, зола и подобное. Вода, используемая для охлаждения технологического оборудования и сбрасываемая в водоемы, несет в себе признаки теплового загрязнения. Микроорганизмы, вирусы, бактерии, грибки, черви и простейшие организмы, попавшие по какой-либо причине в воду, являются биологическим загрязнением. Химическое – это содержащиеся в воде соли, кислоты и щелочи. Органическое – это нефть и ее производные, а также отходы животноводства. Пестициды, гербициды, ядовитые, отравляющие и активные вещества моющих средств – это поверхностный вид загрязнения.
Очистке от указанных видов загрязнений подвергается не более половины всех использованных вод, а всего их «возвращается» или сбрасывается 450 км3. При этом очистка не проводится в необходимом объеме. При наилучшей на сегодняшний день системе очистки, в воде остается около 10% загрязнений. То есть для того, чтобы вода самоочистилась, если и не полностью, но хотя бы приблизилась к своему первоначальному состоянию, необходимо стоки разбавить в десятикратном объеме.
Для своих нужд человечеству в год необходимо до 2200 км3 воды. По некоторым данным на то, чтобы разбавить сбрасываемые стоки уходит порядка 20% планетарных ресурсов пресной воды. Если ситуация с очисткой улучшится, а потребление воды уменьшится, все равно необходимо будет до 35 тысяч км3 пресной воды, а это практически весь речной сток. Воды не станет меньше. Она станет хуже. Рецепт здесь может быть только один – переход на замкнутое водопользование. Возможно ли это технически?
И вопрос тут не в запасах пресной воды. Ее ресурсы довольно велики, но распределены по поверхности планеты неодинаково. Сложилось так, что в местах наибольшей в ней потребности, запасы незначительны. 20% городского и 75% сельского населения ощущают дефицит пресной воды. А объемы ее потребления зависят от очень многих обстоятельств и колеблются в рамках от 3 до 700 литров воды в сутки. Например, такие отрасли производства, как металлургия, химическая и нефтехимическая, пищевая и целлюлозно-бумажная, требуют почти 70% всей воды, необходимой для всей промышленности. Но это только 20% мирового потребления. Еще 70% приходится на сельское хозяйство, где постоянных оросительных мероприятий требуют земли, на которых выращивается половина всего урожая планеты.
Последствия загрязнения
Потребности в пресной воде и наличие ее в зависимости от климатических колебаний побудили человека вмешаться в регулирование речного стока. Началось активное строительство гидросооружений: каналов, плотин, водохранилищ и так далее. Это «регулирование» привело к уменьшению стока крупных водных артерий, обмелению или полному исчезновению мелких рек, высыханию озер и заболачиванию территорий. Потому что водные биосистемы изменились в сторону увеличения зеленой растительной массы. Видовое разнообразие животного мира существенно сократилось. Переработка органических остатков сменилась их гниением и накоплением в донных отложениях. Реки стали «умирать».
Тепловое загрязнение, как правило, не носит массового характера. Для таких вод в местах ее использования создаются искусственные водные объекты. И хотя, теплая вода не попадает реки, она изменяет биосистему региона. В таких водохранилищах происходят мутации в растительном и животном мире. Появляются виды нетипичные для данного климатического пояса. А это если не носит характер непосредственного влияния на водные ресурсы региона, то наверняка воздействует опосредованно. Теплеет климат, увеличиваются испарения и так далее. То есть негативные последствия несколько отложены во времени.
Органическое, химическое и поверхностное загрязнение в большинстве случаев имеет сходные источники. Это промышленные, бытовые и сельскохозяйственные стоки.
Талые и ливневые воды смывают с полей сельскохозяйственных предприятий, промышленных площадок, улиц населенных пунктов, свалок, отвалов и полигонов отходов органические и неорганические вещества. Среди которых азот и фосфор, пестициды, ядохимикаты, соединения тяжелых металлов, синтетические детергенты, фенолы и так далее. Одни, попадая в реки и моря, наполняют их веществами, способствующими развитию растений. Другие, переработка которых естественным путем невозможна или существенно затруднена, накапливаются в растениях и живых организмах. Двигаясь вверх по пищевой цепочке, степень концентрации этих элементов в организмах животных увеличивается кратно. Если содержание такого вещества в морском микроорганизме или планктоне принять за единицу, то в мелкой рыбе его будет уже 25 единиц, в птице – 1500, а в крупном животном – сотни тысяч. Более всего пестициды накапливают рыбы с повышенным содержанием жира.
Особо следует отметить нефтяное загрязнение биосферы. На сегодняшний день – это самое распространенный вид загрязнения для поверхностных вод, особенно морей и океанов. До 4% поверхности Тихого и Атлантического океанов находится под нефтяной пленкой постоянно. В их воды попадает до 6 млн. тонн нефти и нефтепродуктов. Нефть, попадая на поверхность воды в виде довольно толстого слоя, постепенно растекается тончайшей пленкой, накрывая собой все большие и большие площади. На водный мир, нефть действует двояко. Физически. Затеняя, и тем самым, не давая проникать солнечным лучам в толщу воды. Она замедляет процессы поступления кислорода и его обмена между водными пластами. Это приводит к гибели подводного живого мира. Когда нефть попадает на оперение птиц или верхний покров морских животных, то лишает их организм сопротивляемости снаружи и отравляет изнутри. Со временем, нефтяная пленка собирается в комки, которую с прилипшими к ним мелкими живыми организмами поедает крупная рыба и млекопитающие. То есть от негативного воздействия углеводородов не спасается никто. А, кроме того, такие пятна «путешествуют», сохраняя свои отравляющие способности на большие расстояния и длительное время.
Научно-технический прогресс принес такие виды загрязнений, которые не были известны природе. Они получили название ксенобиотики. Это хлорсодержащие углеводороды, применяемые для борьбы с вредителями в сельском и лесном хозяйстве. Для этих веществ нет переработчиков, потому они не разлагаются и накапливаются. Попадая в организмы животных, они оказывают влияние на наследственность. Не находят своих «разрушителей» и радиоактивные вещества, а также обычные и привычные пластиковые бутылки и пакеты. В Саргассовом море уже образовался целый «полиэтиленовый» остров.
Экологические проблемы гидросферы неразрывно связаны с проблемами воды, и, тем не менее, они несколько шире. Смыкаясь с литосферой и атмосферой, она подвергается воздействиям загрязняющих элементов, находящихся в них. В свою очередь, сама «делится» с соседями. Таким образом, можно говорить о круговороте загрязняющих веществ в природе. Тем более он постоянно поддерживается деятельностью живых организмов, мигрирующих между этими слоями биосферы, обмениваясь между собой и окружающей средой органическими веществами и продуктами жизнедеятельности.
Загрязняя одно, мы загрязняем и все остальное. Биосфера настолько четко отлажена, что, пожалуй, в данной ситуации работает себе не в плюс, а в минус. За миллиарды лет она не сталкивалась с тем, что воздействие на нее может происходить не снаружи, как обычно, а изнутри. Как система должна отреагировать на вызов в этом случае? При внешнем воздействии, она сопротивлялась, адаптировалась и, наконец, стабилизировала себя. Может быть, на негативные воздействия изнутри, она будет реагировать путем уничтожения источника? В памяти человечества есть история о ледниковом периоде и всемирном потопе.