Воздействие на биосферу физических факторов

На биосферу Земли постоянно воздействуют, наряду с химическими, многочисленные физические факторы. Значимость воздействия этих факторов антропогенного происхождения достаточно ощутима и продолжает увеличиваться, а в ряде случаев физическое воздействие на конкретные экосистемы значительно превышает химическое.

Наиболее широко известны примеры радиационного загрязнения.
Физическое загрязнение связано с отклонением за пределы нормального диапазона колебаний параметров (уровня) физических абиотических факторов среды обитания. Теоретически это относится абсолютно ко всем климатическим и топографическим экологическим факторам. Реально в наше время ощущается антропогенное воздействие на такие физические факторы, как температура, уровень звука и вибрации, интенсивность различных электромагнитных излучений, включая ионизирующее и световое. Это воздействие стало столь значительно, что соответствующие физические загрязнения выходят за рамки локальных и ощущаются на глобальном уровне.
Тепловое загрязнение. Оно является результатом рассеивания в окружающей природной среде теплоты, выделяющейся в многообразных тепловых процессах, прежде всего связанных со сжиганием топлива. По существующим оценкам ежегодно в мире сжигается до 5 млрд т угля, 3,2 млрд т нефти, т. е. высвобождается более 2 • 1 020 Дж тепловой энергии, которая меняет температурный режим воздушной и водной среды, а также динамику происходящих там процессов. Замена тепловых теплоэлектростанций на атомные, уменьшая до некоторой степени химическое загрязнение среды, одновременно увеличивает тепловое загрязнение. Так, при производстве 3,6 МДж электроэнергии на тепловой электростанции потери теплоты (отходы) в атмосферу и воду, используемую для охлаждения, составляют соответственно 1,67 и 0,565 МДж, а на атомной электростанции — 0,544 и 7,95 МДж.
П омимо влияния на общебиосферный процесс глобального потепления тепловое загрязнение локально воздействует на водные экосистемы. Именно повышение температуры воды способствует: превышению критических значений для «стенотерм- ных1» стадий жизненных циклов водных организмов; усилению восприимчивости организмов к токсическим веществам (непременно присутствующим в загрязненной воде); замене обычной флоры водорослей менее желательными синезелеными водорослями (рис. 9.14);
Стенотермный (от греч. stenos — узкий, ограниченный) — не выносящий колебаний температурных условий среды. Стенотермность характерна многим почвенным и морским видам животных.
• снижению количества кислорода в воде из-за уменьшения его растворимости.
В промышленных районах количество вырабатываемой энергии столь велико, что соизмеримо с интенсивностью излучения Солнца на эту же площадь (табл. 9.6). Поэтому там образуются «острова тепла» и формируется особый микроклимат. Это явление характерно для городов, крупных населенных пунктов и особенно для мегаполисов.
Шумовое (акустическое) загрязнение. Оно возникает в результате отклонения (в основном увеличения) интенсивности и повторяемости звуковых колебаний за пределы природного диапазона. Шумом называют любые звуки, мешающие жизнедеятельности организмов. Отсутствие шума особенно необходимо для животных, обменивающихся звуковой информацией, а также анализирующих звуки окружающей среды с целью получения информации, в том числе сигналов тревоги. Поскольку адаптация организмов к шуму практически невозможна, шумы являются серьезным загрязнителем среды обитания.
Соотношение интенсивности видов энергии
в промышленных районах
Таблица 9.6

Район	Площадь, км2	Техногенная энергия, Вт/м1	Излучение, Солниа, Вт/м2
Фэрбенкс, Аляска (США)	37	18,6	18,1
Рурская область (ФРГ)	10 296	10,3	50,4
Лос-Анджелес (США)	3500	21,2	108,8
Берлин (ФРГ)	650	21,5	99,9
Манхэттен, Нью-Йорк (США)	59	630,0	93,7

Для человека шум — общебиологический раздражитель, который в определенных условиях может влиять на все органы и системы организма (включая нервную систему, зрение, вестибулярный аппарат, пищеварение, обмен веществ и т. п.). Наиболее полно изучено влияние шума на слуховой аппарат человека.

Рис. 9.14. Последовательность смены видового состава и формирования сообщества водорослей, вызываемая тепловым загрязнением (по Н. Ф. Реймерсу)

При шуме на уровне более 90 дБ у человека постепенно возникает ослабление слуха (тугоухость), нервно-психологический стресс (сильное угнетение или, наоборот, сильное возбуждение нервной системы), язвенная болезнь, гипертония и т. д. При очень высоком шуме (более 110 дБ) возникает звуковое опьянение1; при шуме на уровне 120—130 дБ находится порог болевых ощущений, а далее начинается разрушение тканей тела, прежде всего слухового аппарата; при шуме на уровне более 145 дБ у человека происходит разрыв барабанных перепонок.
В субъективном восприятии шума значительную роль играет эмоциональный фактор. Женщины менее устойчивы к сильному шуму, в условиях звукового дискомфорта у них быстрее возникают признаки неврастении. По данным Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ) наиболее чувствительны к шуму такие операции, как слежение, сбор информации и мышление. Неблагоприятное воздействие шума зависит и от индивидуального отношения к нему; так, интенсивные звуки, производимые самим человеком, не беспокоят его, а небольшой посторонний шум может вызвать сильный раздражающий эффект. Экологическое объяснение этого очевидно —
х Звуковое опьянение — возбуждение, возникающее в результате резонанса клеточных структур под действием громких ритмичных звуков.
за миллионы лет эволюции человек, как и любой иной имеющий слух биологический вид, разделял звуки на хорошо слышимые собственные и преимущественно плохо слышимые посторонние. Последние воспринимались в качестве сигналов, в том числе и о возможной опасности, и требовали обязательной реакции. Отсутствие или нарушение нормального слуха гарантирует в природных условиях быструю гибель. Хорошо известно, что при потере зрения слух у человека обостряется.
В соответствии с законами экологии и прежде всего с законом Шел форда любой фактор среды обитания, в том числе и физический, угнетающе действует на организмы биоценоза не только при избыточно большом значении, но и при его недостаточности. Полное отсутствие звуков воспринимается как ненормальная ситуация, ярко характеризуемая известными терминами «пугающая» и «зловещая» тишина. Наилучшие условия для отдыха (в частности, для сна) создаются при тихих звуках спокойной природы — тихий шелест листвы, негромкое пение птиц, слабые звуки морского прибоя. Известны примеры того, как один и тот же человек может полноценно отдыхать и даже спокойно спать при достаточно громких, но привычных ему звуках в хорошо знакомых условиях и никак не может заснуть в значительно более тихом, но новом месте.
По субъективным ощущениям звуковое опьянение аналогично алкогольному и наркотическому. Оно является причиной широкого успеха шумной ритмичной музыки как в современных условиях, так и у дикарей.
Кроме интенсивности звука, экологически значима и его частота. Внезапные резкие звуки переносятся особенно ло, если они имеют высокую частоту (диапазон 1—4 кГц для человека).
Наиболее распространенный и мощный источник городского шума — транспорт, обычно создающий 60—80% шума, воздействующего на человека в местах его пребывания. Авиационный транспорт — источник антропогенного шума практически самого высокого уровня. Больший шум создается при старте космических ракет, при выстрелах и взрывах.
При частотах звука ниже 20 Гц (в диапазоне инфразвука) наиболее заметные нарушения в жизнедеятельности организмов возникают из-за явления резонанса (резкого возрастания амплитуды колебаний) при совпадении частоты внешнего воздействия с частотой собственных колебаний отдельных внутренних органов. Так, у человека частоты 6—12 Гц соответствуют собственным колебаниям органов, а частота

7 Гц — а-ритмам мозга. Инфразвук большой мощности может вызвать остановку сердца человека.
В природе инфразвуки обычно являются сигналами о приближающихся землетрясениях, извержениях вулканов, перед штормами и прочими экстремальными природными явлениями, что побуждает животных к действиям в поисках спасения. Таким образом, антропогенные инфразвуки создают ощущение психологического дискомфорта, развивают безотчетное чувство страха. Подобную реакцию вызывают звуки пролетающих тяжелых вертолетов, движущихся тяжелых машин, работающих прессов и ряд иных источников.
Ультразвуки (звуки с частотой более 16—20 кГц) антропогенного происхождения воздействуют практически только на локальном уровне; например, известно вредное влияние, оказываемое ультразвуковой установкой на обслуживающий ее персонал.

Специфической формой акустического загрязнения является звуковой удар — ударная волна, возникающая при прохождении самолетом звукового барьера, когда его скорость становится больше скорости распространения звуковых волн в воздушной среде. Ударная волна с громоподобным звуком достигает поверхности Земли. Скачкообразное повышение избыточного давления определяет эффект внезапности, неожиданности, что вызывает реакцию беспокойства у живых организмов. Воздействие звукового удара кратковременно, возмущение длится около 0,2—0,3 с.
Звуковой удар обычно сопровождается вибрацией отдельных элементов конструкций зданий и сооружений. У животных эта вибрация усугубляет реакцию на удар, а в костной природе она воздействует на неустойчивые элементы подстилающей земной поверхности, способствуя (ускоряя начало) сходу снежных лавин, камнепадам и другим явлениям. Отдельные виды животных особенно чувствительны к звуковому удару. Это прежде всего скаковые лошади, северные олени, морские котики. Звуковые удары могут косвенно сказаться на потомстве птиц, гнездящихся на скалах.
Изменений в поведении обитателей водной среды при воздействии звуковых ударов не отмечено, что, возможно, объясняется сильным ослаблением доходящей ударной волны. В целом вопрос считается мало изученным и требует осторожного подхода при оценке воздействия звукового удара, особенно на человека.
Вибрационное загрязнение. Такое загрязнение является близким к шумовому и характеризуется в значительной мере аналогичными показателями. Основное различие заключается в том, что вибрация распространяется только в твердых телах, а звук — в любых средах. Поэтому на живые организмы вибрация воздействует только при поверхностном контакте через опорные поверхности. У человека под действием вибрации развивается особая вибрационная болезнь.
Вибрация антропогенного происхождения, как и ультразвуки, в настоящее время оказывает только локальное воздействие на экосистемы. Преимущественно изучено и нормируется антропогенное вибрационное загрязнение среды обитания человека в процессе труда, а именно, производственно-транспортная вибрация.
Электромагнитное загрязнение. Оно возникает в результате изменения свойств среды и значительного (порой в сотни раз) превышения интенсивности излучения антропогенных источников относительно природного фонового излучения. Особенно важное значение оно приобретает в связи с интенсивным развитием электронных систем управления, работа которых может быть серьезно дезорганизована.
Существенная особенность искусственных источников электромагнитного загрязнения биосферы в отличие от природных — высокая когерентность (частотная и фазовая стабильность) и большая интенсивность излучения в тех или иных областях частотного спектра.
Эффект биологического действия зависит от количества поглощенной энергии, частоты и геометрических размеров поглощающего объекта. В диапазоне сверхвысоких1 частот (СВЧ) поглощается 40—50% падающей энергии (остальное отражается), глубина проникновения в биологические ткани равна примерно 1/10 длины волны.
Неионизирующие излучения поглощаются биологическими системами; при этом электромагнитная энергия трансформируется в кинетическую, вызывая общий нагрев тканей по всей глубине проникновения внутрь организма. Если количество поступающей энергии превышает допустимое количество энергии, которое может быть отведено механизмом терморегуляции теплокровных животных, то ее избыток вызывает постепенное повышение температуры тела. Это сначала ведет к нарушению функционирования соответствующих органов,
Диапазон частот 3 • 108 — 3 • 10* Гц (300 МГц — 300 ГГц).
а в предельном случае возникают очаги локального распада биологических тканей. Тепловые процессы, происходящие при воздействии электромагнитных полей на биологические ткани, используют при создании современных бытовых СВЧ-печей.
Помимо термического действия, переменные электромагнитные поля оказывают и сложное биологическое действие, в значительной степени зависящее от частоты колебаний: с повышением частоты (уменьшением длины волны) биологическое действие становится более выраженным.
Наиболее высока чувствительность организмов к многократным воздействиям электромагнитных полей, когда начинает проявляться кумулятивный эффект; реакция возникает в результате ряда действий, каждое из которых самостоятельно не вызывает реакции. Такие суммарные эффекты наблюдаются и при длительном непрерывном воздействии электромагнитных излучений.
При комбинированном воздействии электромагнитных полей и других неблагоприятных физических факторов (шум, тепловое воздействие) отмечается снижение приспособляемости организма человека к ним.
Мощные антропогенные источники электромагнитного излучения — современные линии электропередач (ЛЭП) с открытыми распределительными устройствами, телерадиоцентры и ретрансляторы, радиолокаторы, радиотехническое и радиотрансляционное оборудование систем управления воздушным движением, навигацией и посадкой в авиации, объекты систем противовоздушной обороны, а также другие гражданские и военные устройства и объекты.
Ионизирующее (радиационное) загрязнение биосферы. Это загрязнение связано с превышением естественного уровня ионизирующих излучений. Оно началось в 1933 г., когда приступили к планомерным работам по изучению радиоактивности. Ионизирующее загрязнение включает и радиоактивное загрязнение среды из-за превышения природного уровня содержания радиоактивных веществ.
Источники ионизирующего загрязнения — это предприятия атомной промышленности и энергетики, медицинские, биологические и другие учреждения, использующие радиоактивные препараты и изотопы, приборы медицинской и технической (рентгеновской) диагностики, а также ядерные взрывы. Искусственное ионизирующее излучение (электроны, позитроны, протоны, нейтронные и другие атомные ядра и элементарные частицы, а также электромагнитное излучение гамма-,

рентгеновского и оптического диапазонов) возникает преимущественно на созданных человеком ускорителях заряженных частиц.
С развитием телевидения и особенно с широким внедрением компьютерной техники (в том числе с появлением ее в быту) обострилась проблема воздействия ионизирующих (в том числе рентгеновских) излучений на человека, потому что электронно-лучевые трубки телевизионных приемников и видеомониторов являются источниками этих излучений.
Количество радиоактивных изотопов, включающихся в пищевые цепи, определяется не только тем, сколько их выпало из воздуха или слито в водоем, но также структурой экосистемы и особенностями ее биохимических циклов. В малокормных местообитаниях в пищевые цепи включается большая доля изотопов. В богатой среде высокая скорость обмена и большая сорбирующая емкость почвы или донных отложений обеспечивают значительное разбавление загрязнений. В растения они попадают в относительно небольшом количестве. По пищевым цепям радиоактивные изотопы доходят и до человека.
Мощные источники радиоактивных отходов — исследовательские технологические и энергетические ядерные реакторы, заводы по переработке ядерных материалов, атомные электростанции (АЭС). К началу 90-х годов XX в. в мире действовало более 350 энергетических реакторов общей мощностью более 250 млн кВт. Доля ядерной энергетики к концу XX в. приближалась к 20% общей мировой выработки электроэнергии. В некоторых странах АЭС превалируют среди прочих источников электроэнергии. В 1986 г. в Швейцарии на них вырабатывалось 39% электроэнергии, в Бельгии — 50%, во Франции — до 80%. Причина заключается в ряде значительных экологических преимуществ АЭС перед иными традиционными источниками энергии и особенно перед тепловыми электростанциями, работающими на угле. Так, известно, что активность радионуклидов, содержащихся в 1 кг угля, в среднем составляет: урана — до 50 Бк[105], тория — около 300 Бк, калия40 — 70 Бк:. В угольных шлаках концентрация радиоактивных веществ может быть еще больше, в связи с чем их использование как наполнителей в бетонных конструкциях нежелательно. Повышенный радиационный фон — характерное

явление для территорий, прилегающих к крупным угольным теплоэлектростанциям.
Тем не менее использование человеком атомной энергии таит в себе большие проблемы, главные из которых — утилизация отработанного ядерного топлива и аварии с утечкой в окружающую природную среду радиоактивных веществ.
Одно из самых радиационно грязных мест на планете — озеро Карачай под Челябинском. В него соседний с озером комбинат «Маяк» сбросил радиоактивных веществ в 100 раз больше, чем их попало в ОС при аварии на Чернобыльской АЭС. В конце 90-х годов зона радиационного влияния озера начала распространяться в сторону речки Мишляк, которая через реки Теча, Тобол и Обь связана с Северным Ледовитым океаном.
Кроме того, во всем мире для бытовых и медицинских целей широко используют потребительские товары, содержащие естественные радионуклиды. К ним относятся часы со светящимся циферблатом, содержащие радий, специальные оптические приборы, аппаратура, применяемая в аэропортах и при таможенном досмотре, аппаратура медицинской рентгеноскопии и др.

<< | >>

↑

Источник: Николайкин Н. И.. Экология: Учеб. для вузов. 2004

Еще по теме Воздействие на биосферу физических факторов:

- Диссертации по экологии - Общая экология - Природопользование - Социальная экология - Экологический мониторинг - Экология города и региона - Экология человека -