Гидросфера и проблемы ее механического и химического загрязнения

Гидросфера и проблемы ее механического и химического загрязнения.

Статьи по теме
Искать по теме

1. Гидросфера

Гидросфера представляет собой водную оболочку Земли и занимает около трех четвертей поверхности планеты.

Общий объем воды на планете составляет около 1 532 млн. км3. При этом подавляющую часть гидросферы составляют соленые воды океанов и морей.

М.И. Львович дает следующее определение понятия "гидросфера": "Гидросфера – это прерывистая водная оболочка Земли". По его мнению по некоторым прежним представлениям, рамки гидросферы ограничивались Мировым океаном. Поскольку океан един, постольку гидросфера прежде не нуждалась в таком определении. Но воды рек и озер, так же как и подземные воды, являются составными частями гидросферы. А эти воды в отличие от океана дискретны. Отсюда и появляется необходимость определения гидросферы как прерывистой оболочки. Замечу, что противопоставление дискретности вод речной сети, озер и подземных вод континуальности океана не лишено условности, поскольку относится к стационарному состоянию гидросферы, чего в природе не существует. Гидросфера отличается высокой динамичностью, движущей силой которой служит круговорот воды. Этому грандиозному процессу на Земле посвящена отдельная глава. Поэтому следует в понятие о гидросфере ввести определение ее динамичности, подвижности.

Из сказанного следует, что понятие "гидросфера" равнозначно понятию о всех свободных водах Земли. Свободных в том смысле, что воды гидросферы не связаны химически и физически с минералами земной коры, т. е. могут двигаться под влиянием гравитационной силы, а также под влиянием тепла. В понятие "движение" входит и переход воды из одного агрегатного состояния в другое. Переход воды через парообразную фазу служит механизмом естественного опреснения воды.

Происхождение гидросферы связывается с дегазацией воды из мантии Земли, в которой содержится около 2*1025 г воды, или 20 млрд. км3.

Из приведенного определения гидросферы и ее краткой характеристики видно, что эта сфера Земли находится в тесной взаимосвязи с другими сферами – литосферой, атмосферой и биосферой. Связь гидросферы с земной корой происходит посредством подземных вод, а с мантией Земли – как с ее генетическим источником. Атмосферные воды (парообразная влага) связывают гидросферу с атмосферой. Гораздо сложнее взаимодействие гидросферы с биосферой. Общеизвестно, что большую часть живых организмов – растений и животных – составляет вода, но общая масса воды как часть органического мира незначительна относительно объема гидросферы, и не по этому признаку следует судить о биологической роли воды. В данном случае взаимосвязь гидросферы с биосферой гораздо сложнее, чем с литосферой и атмосферой. Важный фактор – участие воды в биологических процессах, начиная от возникновения жизни. Следует "исключить совершенно сухие участки из числа мест зарождения жизни и рассматривать жизнь как явление, присущее лишь гидросфере", и "жизнь в сущности есть производное воды", – писал Д. Бернал. В своей теории происхождения жизни на Земле этот автор в значительной мере следует теории A. П. Опарина.

Переходя к количественной характеристике гидросферы, следует отметить, что представления по этому вопросу имеют свою историю, обзор которой довольно полно освещен в литературе, поэтому отсылаю читателя к основному из таких источников.

Об объеме гидросферы дают представление данные, помещенные в таблице. 1.

Таблица 1. Гидросфера

Части гидросферы

Объем воды тыс. км3

% от общего объема

Мировой океан

Подземные воды

В том числе зоны активного водообмена

Ледники

Озера

Почвенная влага

Пары атмосферы

Речные воды

Итого

1 370 323

60000

4 000

24 000

280*

85**

14

1,2

1454193

93,96

4,12

0,27

1,65

0,019

0,006

0,001

0,0001

100

* В том числе около 5 тыс. км3 воды в водохранилищах.

** В том числе около 2 тыс. км3 оросительных вод.

Границы гидросферы определяются границами распространения воды как химического соединения. Верхняя граница обнаружения воды находится на высоте 8–18 км, где молекулы воды разлагаются под действием УФ-излучения. Нижняя граница водной оболочки располагается на глубине около 10 км ниже дна океана и на 6–14 км ниже уровня земной поверхности. По определению В. И. Вернадского, нижняя граница гидросферы – это та область земной коры, где при высоких температурах (до 1800° С) протекают не только процессы разложения, но и синтез молекул воды. С точки зрения экологии, границы гидросферы определяются более четко и совпадают с границами.

Основную массу воды на планете составляют соленые воды Мирового океана. Средняя соленость этих вод–35 % (то есть в 1 л океанической воды помещается 35 г солей). Самая соленая вода в Мертвом море-260 % в (в Черном- 18 %. Балтийском – 7%).

Химический состав океанических вод, как считают специалисты, очень похожий на состав человеческой крови – в них помещаются почти все известные нам химические элементы, но, конечно, в разных пропорциях. Частица кислорода, водорода, хлора и натрия составляет 95,5 %.

Химический состав подземных вод очень разнообразный. В зависимости от состава вмещающих пород и глубины залегания они изменяются от гидрокарбонатно-кальциевых к сульфатных, сульфатно-натриевых и хлоридно-натриевым, за минерализацией от пресных к рассолу с концентрацией 600 %, часто с наличием газовой компоненты. Минеральные и термальные подземные воды имеют большое бальнеологическое значение, есть одним из рекреационных элементов природной среды.

Из газов, раскрытых в водах Мирового океана, наиболее важными для биоты есть кислород и углекислый газ. Общая масса углекислого газа в океанических водах превышает его массу в атмосфере приблизительно в 60 раз.

Следует отметить, что углекислый газ океанических вод потребляется растениями во время фотосинтеза. Часть его, которая вошла в кругооборот органического вещества, расходуется на построение известняковых скелетов кораллов, ракушек. После отмирания организмов углекислый газ возвращается у воды океана за счет растворения остатков скелетов, панцирей, ракушек. Частично он остается в карбонатных осадках на дне океанов.

2. Проблемы загрязнения вод

Под загрязнением – не только воды, но и среды в целом, понимается поступление в неё (или возникновение в ней) вещества и энергии в количествах, превышающих естественный для неё (фоновый) средний многолетний уровень.

Загрязнение воды – в настоящее время эта проблема угрожает всему человечеству. Обеззараживание питьевой воды проводится для уничтожения в загрязненной воде, используемой человеком, возбудителей заболеваний, передающихся водным путем и для предупреждения передачи кишечных инфекций через воду.

Вода содержит около 12 тысяч токсичных элементов. Плутоний, уран, цезий, торий, стронций, являющиеся радиоактивными, приводят к генетическим изменениям, онкологическим образованиям, врожденным порокам, ослаблению иммунитета. Тяжелые металлы, которые находятся в воде: свинец, никель, кадмий, хром, ртуть, цинк, вызывают гипертонию, полиневрит, атеросклероз, снижение остроты зрения, поражение костного мозга. Фосфор и азот, попав в организм человека, ослабляют его иммунитет, а также вызывают рост в водопроводных станциях и разнообразных скважинах сине-зеленых водорослей, которые плохо поддаются фильтрации и помимо этого образуют около 300 опасных токсинов. С питьевой водой в организм человека могут попасть всевозможные микробы, возбудители многих инфекционных и паразитарных заболеваний: холера, брюшной тиф, дракункулез, лямблиоз, вирусный гепатит, полиомиелит, дизентерия, сальмонеллезы, шистосомозы и становятся причиной гастроэнтерита, гепатита, миокардита и различного вида кишечных расстройств, которые связаны с загрязнением питьевой воды канализационными и сточными водами.

Загрязнение воды связано, в первую очередь, со сбросом в водоёмы неочищенных или недостаточно очищенных жидких промышленных, сельскохозяйственных, бытовых стоков.

В данном случае, прежде всего, существенна и опасна химическая составляющая загрязнения – поступление в воду опасных для жизни химических элементов и соединений. Кроме того, со сбросами стоков связано, в ряде случаев, механическое, а также тепловое загрязнение.

Часть естественного водного стока разбирается на хозяйственные нужды, после чего возвращается в гидросферу, но уже в ином, худшем, качестве. И это более серьёзная проблема, чем первичное изъятие воды.

В России в настоящее время в поверхностные водоёмы ежегодно сбрасывается более 70 куб. км. сточных вод, или 70% от 100 куб.км всей воды, используемой для хозяйственных и бытовых целей (остальное – в основном, вода, используемая для полива в сельском хозяйстве). Из этих 70 куб.км. 30%, или 21 куб. км, не очищены или недостаточно очищены. Большая часть стоков приходится, чаще всего, на городские водохозяйственные комплексы. Министерство природных ресурсов России приводит данные по объёму загрязнённых сточных вод в ряде областей России. По данным на 2011 год лидерами по загрязнению являются, что вполне ожидаемо, наиболее населённые и промышленно развитые регионы. Только на Москву приходится почти 8% загрязнённых сточных вод, также выделяются промышленно развитые регионы Сибири, Урала, Поволжья и Московская область.

Каждый человек в среднем потребляет в сутки 2,7 литра воды: 1,3 литра для питья, 1,1 литр для приготовления пищи. Среднестатистическая норма потребления воды – 200 литров в сутки – обеспечивает мытье, работу сливных бачков и стирку. 18 – 20 % воды, поступающей в очищенном виде в водопроводную сеть, просто вытекает через прохудившиеся трубы в результате аварий. В связи с увеличением расходов воды приходится сокращать цикл ее обработки, что может сказываться на ее качестве.

Для решения проблемы загрязнения воды ключевые подходы:

сокращение, за счёт более совершенных технологий, водопотребления в целом и, как следствие – объёмов загрязнения, а также развитие безотходных технологий;

очистка сточных вод.

Методы очистки можно разделить на механические, химические, биологические, хотя это деление до определённой степени условно.

Механическая очистка предполагает различные способы улавливания отходов: решётки, сита, отстойники, ловушки различного характера.

Химическая очистка – добавление к сточным водам реагентов, вызывающих осаждение загрязняющих веществ или перевод их в безвредные соединения.

При биологической очистке используются микроорганизмы (водоросли, бактерии), поглощающие вредные вещества. Несложно заметить, что эвтрофирование водоёмов является побочным эффектом естественной биологической очистки.

В целом, очистка может иметь свои побочные эффекты. Тем более, опасность того или иного вещества для живых организмов устанавливается, как правило, путём наблюдений и опытов. То же можно сказать и о применении различных технологий очистки, которые тоже связаны с попаданием в окружающую среду вещества и энергии в количествах, превышающих фоновый уровень.

3. Механическое и химическое загрязнения гидросферы

Всякий водоем или водный источник связан с окружающей его внешней средой. На него оказывают влияние условия формирования поверхностного или подземного водного стока, разнообразные природные явления, индустрия, промышленное и коммунальное строительство, транспорт, хозяйственная и бытовая деятельность человека. Последствием этих влияний является привнесение в водную среду новых, несвойственных ей веществ – загрязнителей, ухудшающих качество воды.

Загрязнения, поступающие в водную среду, классифицируют по разному, в зависимости от подходов, критериев и задач. Так, обычно выделяют химическое, физическое и биологические загрязнения.

Химическое загрязнение представляет собой изменение естественных химических свойств вода за счет увеличения содержания в ней вредных примесей как неорганической (минеральные соли, кислоты, щелочи, глинистые частицы), так и органической природы (нефть и нефтепродукты, органические остатки, поверхностноактивные вещества, пестициды).

Неорганическое загрязнение. Основными неорганическими (минеральными) загрязнителями пресных и морских вод являются разнообразные химические соединения, токсичные для обитателей водной среды. Это соединения мышьяка, свинца, кадмия, ртути, хрома, меди, фтора. Большинство из них попадает в воду в результате человеческой деятельности. Тяжелые металлы поглощаются фитопланктоном, а затем передаются по пищевой цепи более высокоорганизованным организмам.

Отходы, содержащие ртуть, свинец, медь локализованы в отдельных районах у берегов, однако некоторая их часть выносится далеко за пределы территориальных вод. Загрязнение ртутью значительно снижает первичную продукцию морских экосистем, подавляя развитие фитопланктона. Отходы, содержащие ртуть, обычно скапливаются в донных отложениях заливов или эстуариях рек.

Вода способна к естественному самоочищению, происходящему за счёт микроорганизмов, поглощающих загрязняющие вещества. В то же время, чрезмерные объёмы загрязнённых стоков могут стимулировать рост водных организмов и, как следствие, накопление органических остатков до такой степени, что изъятие кислорода из экосистемы уже не пополняется за счёт фотосинтеза. В итоге происходит массовая гибель аэробных (нуждающихся в свободном кислороде) живых организмов и размножение анаэробных, разрушающих биомассу с помощью брожения. Водоём, в результате, теряет способность к самоочищению, превращаясь в зловонное болото антропогенного происхождения.

Сходный эффект вызывает тепловое загрязнение воды, основной источник которого – техническая вода ТЭС, используемая для охлаждения питательной воды замкнутого контура электростанции.

Основные химические загрязнители воды:

– неорганические – поваренная соль, тяжёлые металлы;

– органические – нефть, нефтепродукты и отходы нефтепереработки, удобрения, навозная жижа и моча, фенолы.

Поваренная соль (NaCl) и другие хлориды – одни из наиболее распространённых городских загрязнителей воды, используемые для таяния снега зимой. Чрезмерное засоление водоёмов приводит к гибели пресноводных живых организмов.

Тяжёлые металлы попадают в поверхностные водоёмы из разных источников, прежде всего, при сжигании топлива и в качестве отходов целого ряда производств: металлургического, цементного, лакокрасочного, химического. Наиболее распространённые элементы этого ряда: ртуть, медь, кадмий, свинец, мышьяк, марганец. В высоких концентрациях они становятся токсичными для живых организмов.

Среди отходов нефти и нефтепродуктов, помимо собственно их утечек при добыче, транспортировке и переработке, выделяются полиароматические углеводороды (ПАУ), в частности – бензапирен. ПАУ попадают в поверхностные воды также в результате работы ТЭС.

Удобрения, смываемые с полей, содержат ионы нитратов, аммония, фосфатов (NO3, NH4, H2PO4, HPO4). Также источники фосфатов – моющие средства. Соединения азота и фосфора содержатся в продуктах сгорания топлива и коммунальных сточных водах. Попадая в водоёмы, они способствуют росту фитопланктона, вызывая т. наз. эвтрофирование водоёмов, эффект которой был описан выше – поглощение кислорода с гибелью, в итоге, экосистемы водоёма и потерей его способности к самоочищению.

Кроме того, ряд этих соединений также токсичен.

Сильное загрязнение воды навозной жижей и мочой ведёт к образованию аммиака (NH4), в высоких концентрациях токсичного для большинства живых организмов.

Фенолы – органические соединения, используемые при производстве клеев и пластмасс, также в качестве дезинфицирующего средства; кроме того, мощный источник фенолов – гниющая в воде древесина. Они также способны привести к гибели ряда живых организмов.

Следствием химического загрязнения могут стать тяжелые заболевания. Так печальную известность приобрела болезнь Минамата, впервые обнаруженную японскими учеными у людей, употреблявших в пищу рыбу, выловленную в заливе Минамата, в который бесконтрольно сбрасывали промышленные стоки с техногенной ртутью.

Органическое загрязнение. Среди вносимых в океан с суши растворимых веществ, большое значение для обитателей водной среды имеют не только минеральные, биогенные элементы, но и органические остатки. Вынос в океан органического вещества оценивается в 300 – 380 млн. т. /год.

Сточные воды, содержащие суспензии органического происхождения или растворенное органическое вещество, пагубно влияют на состояние водоемов. Осаждаясь, суспензии заливают дно и задерживают развитие или полностью прекращают жизнедеятельность данных микроорганизмов, участвующих в процессе самоочищения вод. При гниении данных осадков могут образовываться вредные соединения и отравляющие вещества, такие как сероводород, которые приводят к загрязнению всей воды в реке. Наличие суспензий затрудняют также проникновение света в глубь воды и замедляет процессы фотосинтеза.

Одним из основных санитарных требований, предъявляемых к качеству воды, является содержание в ней необходимого количества кислорода. Вредное действие оказывают все загрязнения, которые, так или иначе, содействуют снижению содержания кислорода в воде.

Поверхностно активные вещества – жиры, масла, смазочные материалы – образуют на поверхности воды пленку, которая препятствует газообмену между водой и атмосферой, что снижает степень насыщенности воды кислородом.

Значительный объем органических веществ, большинство из которых не свойственно природным водам, сбрасывается в реки вместе с промышленными и бытовыми стоками. Нарастающее загрязнение водоемов и водостоков наблюдается во всех промышленных странах.

В связи с быстрыми темпами урбанизации и несколько замедленным строительством очистных сооружений или их неудовлетворительной эксплуатацией водные бассейны и почва загрязняются бытовыми отходами. Особенно ощутимо загрязнение в водоемах с замедленным течением или непроточных (водохранилища, озера).

Разлагаясь в водной среде, органические отходы могут стать средой для патогенных организмов. Вода, загрязненная органическими отходами, становится практически непригодной для питья и других надобностей. Бытовые отходы опасны не только тем, что являются источником некоторых болезней человека (брюшной тиф, дизентерия, холера), но и тем, что требуют для своего разложения много кислорода.

Если бытовые сточные воды поступают в водоем в очень больших количествах, то содержание растворимого кислорода может понизиться ниже уровня, необходимого для жизни морских и пресноводных организмов.

Выводы

Защита водных ресурсов от истощения и загрязнения и их рационального использования для нужд народного хозяйства – одна из наиболее важных проблем, требующих безотлагательного решения. В России широко осуществляются мероприятия по охране окружающей среды, в частности по очистке производственных сточных вод.

В настоящее время гидросфера земли загрязняется как механически, так и химически. Механическое загрязнение – это повышение содержания механических примесей, свойственное в основном поверхностным видам загрязнения. Химическое загрязнение – наличие в воде неорганических и органических веществ токсического и нетоксического действия.

Загрязнение водоемов химическими элементами, которые могут попасть туда со сбросами промышленных сточных вод, приводят к опасным и трудноизлечимым заболеваниям. Например ртуть или кадмий, вызывают характерные заболевания: меркуриоз (болезнь Минамата), характеризующуюся нарушениями слуха, зрения, осязания, неврологическими расстройствами; и кадмиоз (болезнь Итай – итай) при которой отмечаются сильные боли, деформация скелета, поражение почек, переломы скелета.

Литература

1. Антонова Г.И. Экологические проблемы в России. – Саратов: Вестник СГУ, №4, 2011

2. Боровский Е.Э.Вода в природе Дефицит чистой пресной воды. – М.: "Чистые пруды", 2009.

3. Вода – проблема загрязнения // [Электронный ресурс] rgo.ru/2011/05/voda-%E2%80%93-problema-zagryazneniya/

4. Егорова Е.Г. Современные проблемы экологии. – М.: Экос, 2010

5. Львович М. И. Вода и жизнь: водные ресурсы, их преобразование и охрана / М.И. Львович. – М.: Наука, 1986

6. Николаева И.Н. Вода – это самый главный природный ресурс // Наука и жизнь. – № 4. – 2009.

7. Хотунцев Ю.Л. "Человек, технологии, окружающая среда". – М.: Устойчивый мир, 2001.