Віртуальна аерокосмічна школа

 





Екологія навколоземного середовища

 

Передмова

 

  Кінець другого тисячоліття характеризується глобальним загостренням екологічних проблем економічної діяльності суспільства.  Не одне покоління виховалось  та  втілювало  в практику гасло: «Ми не повинні чекати милостей від Природи. Взяти їх у неї - наше завдання». І за те, що кілька поколінь не просто «брали» потрібне, а руйнували довкілля, розраховуватися будуть народжені у ХХІ столітті. Останніми роками людина, повіривши, що вона є «царем природи», впритул наблизилася до межі повного самознищення, нарощуючи кількість глобальних загроз своєму існуванню: ядерну війну, «озонову діру», «парниковий ефект», хімічне і радіаційне забруднення довкілля,  стрімке збіднення рослинного і тваринного світу та інші. Одна з причин  такої ситуації – відсутність або недостатність екологічного виховання, екологічного  світогляду,  екологічної освіти сучасної людини, діяльність якої спрямована на перетворення природних ресурсів у продукти споживання. У зв’язку з цим з ініціативи Всесвітнього центру виживання  та проблем ХХІ століття ООН останні десять років опрацьовує програму «глобальної освіти з космічним баченням життя», згідно з якою необхідна інтеграція різних напрямків знань, проведення комплексних досліджень з обов’язковою оцінкою впливу на наш «природний дім» для виконання глобального завдання - збереження біосфери планети.

 

1. Структура і об’єкти дослідження сучасної екології

 

 

  Перш ніж виявити,  яку роль відіграє екологія Космосу у глобальній екології, визначимо поняття «екологія».

Вперше термін «екологія» був запропонований німецьким біологом  Е. Геккелем у 1866 році. У дослівному перекладі (з грецької: oicos – дім, logos-наука) - «наука про дім», тобто про природу, що нас оточує. Вона вивчає умови існування живих організмів, їх взаємодію та взаємозв’язок з довкіллям. Але наприкінці ХХ століття зміст екології став значно ширшим, її місце в системі наук змінилося. Екологія, що виникла як суто біологічна наука, в наш час трансформувалась  і стала міждисциплінарною наукою, що досліджує багатокомпонентні  та багаторівневі складні системи у природі та суспільстві.

Сьогодні багатократне використання слова «екологія» призвело до «екологізації» сучасних наукових дисциплін, багатьох напрямків дослідження. Слід відзначити, що будь-які зміни у середовищі проживання живої особи входить до компетенції екології. Причинами цих змін можуть бути космічні процеси або антропогенні впливи. Таким чином екологія, постійно розширюючи кількість розглянутих факторів навколишнього середовища, вивчає їх вплив на особини, популяції, суспільства, людину. Тому існує прямий зв’язок екології із господарською діяльністю людини, особливо з такими масштабними виробництвами, як енергетика, паливний та ресурсовидобувний комплекси, хімія, транспорт, сільське господарство, інші. Таким чином, в наш час нова наука – «нооекологія», або «мегаекологія» має базу – традиційну або «біоекологію», що доповнюється новими розділами, які відображують глибокі зміни у складі та змісті самої науки, що виникли за більш ніж сто років її існування.

Варіант принципової схеми розділів об’єднаної класичної та неоекології наведені на рис. 1.

 

 

Як видно з рис. 1, об’єднуючим центром екології є глобальна екологія, яка системно вивчає та прогнозує стан і зміни всієї землі та біосфери, рекомендує шляхи гармонізації відносин людини і довкілля. Всі шість блоків навколо центрального взаємодіють як з ним, так і між собою, мають вужчі завдання, вивчають об’єкти, які відображено у їх назвах.

Біоекологія – материнський субстрат, має найдовшу історію, налічуючи 10 галузевих розділів, як старих (аутекологія, популяційна екологія, синекологія), так і порівняно нових (біоіндикація, біоекомоніторінг, заповідна справа та ін.).

Геоекологія нараховує 7 галузевих розділів (та 9 підгалузевих), вивчає екологію ландшафтів, атмосфери, гідросфери, літосфери, екологію природних та штучних водойм, грунтів та ін.

Дедалі більше реальних досягнень має техноекологія, або прикладна екологія – комплекс дисциплін, пов’язаний з різними галузями діяльності людей та взаємовідносин між людиною та природою.

Техноекологія складається з 8 галузевих розділів та 26 галузевих  підрозділів, досліджує механізми антропогенного впливу на довкілля.

Соціоекологія об’єднує здобутки соціальних та гуманітарних наук. Особливо важливими стали психоекологія, екологія народонаселення, які вивчають злободенні проблеми взаємодії суспільства та довкілля.

І, нарешті, в майбутньому великі завдання буде вирішувати молода космічна екологія, адже в околицях. Землі рівень забруднення подекуди набагато перевищує всі припустимі межі!

 

Основні задачі екології космосу, можна визначити таким чином:

- детальне вивчення стану навколоземного космічного простору, як частини біосфери, з точки зору її складу та еволюції;

- визначення основних забруднювачів, їх джерел та наслідків впливу на космічний простір;

- аналіз впливу ракетно-космічної діяльності на стан космічного простору;

- вивчення методів моніторингу навколоземного космічного середовища.

Розглянемо об’єкти дослідження екології. За визначенням сучасних екологів сфера дії екології припиняється там, де закінчується біологічна форма руху матерії. Тому об’єкти дослідження в екології SYMBOL 45 \f "Symbol" \s 14- організми, тіла, речовини – матеріальні; процеси  з їх участю підпорядковуються законам фізики, хімії, біології, природничих наук. Природні об’єкти (матерія) за розмірами і складністю організації умовно поділяються на 20 рівнів (рис. 2), включаючи біоструктури, вони йдуть від субелементарних часток типу кварків аж до Всесвіту в цілому. За допомогою цієї схеми можна досить чітко вказати рівні, що охоплюються всіма сучасними природничими науками.

  Екологія досліджує вплив на організми всіх чинників довкілля, зв’язки між живими об’єктами, утворення і функціювання складніших систем аж до рівня всієї біосфери.

Досить часто викладачі можуть почути питання: невже і справді наша планета, середній діаметр якої 12742 км,  маса – 6*10 21 тон, поверхня - 510 млн км2, 361 млн км2 котрої займає Світовий океан з глибиною до 11022 м, зазнає незворотних змін  унаслідок техногенного впливу?

Безумовно, людина не може знищити остаточно рослинний і тваринний світ планети, її океани чи атмосферу, але вона може трагічно пошкодити життєдайне «навколишнє середовище» всього живого на Землі – біосферу. Межі біосфери – це не тільки кількадесят метрів углиб земної кори і над її поверхнею. Співвідношення розмірів фізичних величин біосфери зі всією земною кулею можна змоделювати  в вигляді плівки вологи, тоншої за 0,1мм, на кам’яній кулі діаметром 10м (глибина земної кори на такій моделі становила б 0.5-15 мм).

Над біосферою в межах сотень кілометрів, аж до магнітосфери, послідовно простягаються інші сфери : атмосфера, стратосфера, іоносфера, термосфера, які різняться за хімічним складом, густиною, відповідним впливом на стан біосфери. На рис. 3 в масштабі реальних співвідношень показано розміщення біосфери Землі.

 

2. Атмосфера та її будова.

 

Атмосфера (грец. atmos - повітря, sphaira - куля ) являє собою газоподібну оболонку, що оточує нашу планету. Атмосферою вважають ту область навколо Землі, в якій газова оболонка обертається із Землею як єдине ціле. Маса атмосфери складає (5.15-5.9 ) 1015 тон. Загальний об’єм атмосферного повітря, приведений до нормальних умов, складає  4 1018 м3. Тиск атмосфери на 1 м2 складає 10 т, отже її тиск на людину з поверхнею тіла 1.5 м2 складає 15- 15.5 т.

Вважається, що сучасна атмосфера має вторинне походження і утворилася з газів, виділених твердою оболонкою Землі після формування планети.  У складі тогочасної атмосфери були азот, аміак, водень, діоксид і оксид вуглецю, метан, водяна пара, хлор, сірководень та деякі інші гази. Як бачимо,  в атмосфері повністю бракувало молекулярний кисень. Тоді не існувало й озонового прошарку, бо саме під дією ультрафіолетового випромінювання (УФВ) сьогодні на висоті 15-45 км відбувається перетворення

 

2        ->                      3 О-+ 3 О-     ->                    2О3.

 

 

Відсутність  озонового прошарку в атмосфері Землі не перешкоджала проникненню на поверхню суходолу і океанів короткохвильової енергії Сонця. Сьогодні ми знаємо, що такі умови є згубними для всього живого,  але колись саме енергія сонця ініціювала хімічні реакції утворення складних органічних речовин, «цеглинок» білка живої матерії SYMBOL 45 \f "Symbol" \s 14- амінокислот.

Поява молекулярного кисню в атмосфері Землі  могла відбуватися за процесу іонізації води під впливом енергії УФВ сонячного спектра (2 Н2О  ->   2 Н2 + О2 ), але його накопичення за відомими законами термохімії не могло бути стійким унаслідок оберненої реакції. Утворення  кисневої атмосфери можна пояснити лише комплексною дією зовнішніх  факторів – кліматичних та внутрішніх – процесів життєдіяльності організмів. Саме завдяки фотосинтезу близько 2 млрд. років тому збільшення кисню в атмосфері спричинило до глобальної зміни геохімічних процесів: утворився озоновий прошарок атмосфери, який забезпечив захист живих організмів від згубної дії сонячної радіації. Близько 400 млн років тому утворився стан стійкої рівноваги  між споживанням кисню і його генерацією рослинним світом в межах 20%. Таким чином, на протязі геологічної історії Землі атмосфера зазнала еволюції під впливом кількох факторів: звітрювання атмосферних газів в космічний простір; виділення газів із Землі внаслідок  вулканічної діяльності; розщеплення молекул під впливом сонячного ультрафіолетового випромінювання; хімічних реакцій між компонентами  атмосфери  та породами земної кулі, процесів життєдіяльності організмів (фотосинтезу).

Утворений хімічний склад компонентів атмосфери  Землі SYMBOL 45 \f "Symbol" \s 14- унікальний. Якщо оболонки Юпітера і Сатурна  складаються головним чином   з водню та гелію, Марса і Венери – з діоксиду вуглецю , то атмосфера Землі SYMBOL 45 \f "Symbol" \s 14- переважно з азоту та кисню. Навколоземна оболонка Землі – атмосфера SYMBOL 45 \f "Symbol" \s 14- захищає поверхню Землі від руйнівного впливу метеоритів, велика кількість яких згоряє при надходженні в щільні шари атмосфери. Діяльність живих організмів сильно залежить від атмосферних  умов. У зв’язку з цим атмосфера виконує такі основні екологічні функції:

затримує більшу частину ультрафіолетового випромінювання Сонця, яке згубно впливає на все живе;

- атмосферний кисень використовується в процесі дихання живою речовиною;

- атмосферний діоксид вуглецю – основа процесу фотосинтезу;

- атмосферні кліматичні фактори, особливо термічний режим та режим зволоження, впливають на стан здоров’я та діяльності людини.

Слід зазначити, що відповіді вчених на питання щодо походження життя і еволюції планети на різних етапах були різними. І хоча нині матеріалістичне наукове обгрунтування еволюційної теорії опрацьовано достатньо фундаментально, в ньому є чимало білих плям і таємниць. На багато з них звернула увагу нова течія пізнання природи – креаціонізм, яка базується на визнанні вищого Розуму – космічного Розуму, на поєднанні біблійних постулатів  і сучасних наукових даних про нашу планету. Однією з цих таємниць є надзвичайна «розумність» створення складу навколоземного середовища.

 

 

3. Параметри і процеси атмосфери.

 

На рис.4 наведена структурна схема атмосфери, її параметри і основні процеси.

Верхня межа атмосфери лежить на висоті близько 2000 км. В атмосфері розрізняють кілька шарів: тропосферу і стратосферу. Вони роз’єднані перехідним шаром, який називають тропопаузою; мезосферу, відокремлену від стратосфери стратопаузою; іоносферу і термосферу, відокремлені від мезосфери мезопаузою. Зовнішня частина термосфери має назву магнітосфери. В ній частинки газів (іони) утримуються не стільки земним тяжінням, скільки магнітним полем Землі.

За хімічним складом, атмосфера Землі розділяється на нижню (тропосфера і тропопауза) і середню (стратосферу, стратопаузу, мезосферу, мезопаузу). Її склад суттєво не змінюється у порівнянні з приземним повітрям. Виділяють також верхню атмосферу – неоднорідну за хімічним складом . Для верхньої атмосфери характерні процеси дисоціації та іонізації газів під впливом УФВ: кисень та азот на висотах більших за 100 км перебувають в атомарному стані.

Схарактеризуємо коротко основні шари атмосфери.

Нижній шар висотою до 10...12 км – це тропосфера. Її висота визначається  вертикальними потоками повітря, які зумовлені нагріванням Земної кори. Тому на екваторі тропосфера складає 16...18 км, на полярних широтах - 10...11 км, на полюсі - 8 км. Градієнт температури у тропосфері становить близько 5о на 1 км. Тропосфера містить близько 80 % маси всього повітря та 75 % його вологи.

На рівні моря густина повітря тропосфери становить 1.033 кг/см2 (1 атм), але на висоті близько 20 км знижується до 0.04 атм (за такого тиску закипає кров у судинах).

Стратосфера міститься вище від тропосфери і поширюється до висоти 50 км, причому її маса складає лише  14-15% маси атмосфери, що пояснюється великою розрідженістю повітря стратосфери. Водяна пара практично відсутня. На висоті близько 30 км температура повітря підвищується у середньому  на 1-2о С на кожний кілометр і на висоті близько 40 км  вона досягає 303 К .

Наявність озону зумовлює оптичні явища (міражі), викликає відображення звуків і здійснює вплив на електромагнітне випромінювання. Переміщення повітря тут теж має місце, і швидкість вітру перевищує 100 км/год. На висоті близько 50 – 60 км температура утримується постійною – має місце стратопауза.

Мезосфера  розміщена  на висоті 60 – 80 км і також відрізняється крайньою розрідженістю газового середовища. Вона містить менше ніж 0.05% атмосфери. Про температуру можна говорити лише виходячи з енергії і швидкості молекул. Але відомо, що у мезосфері температура знижується з висотою і становить 160о К у верхній її частині. Це сприяє конденсації водяної пари  та утворенні на висоті 80 км мезосферних (сріблястих) хмар. Тут вже можлива іонізація, яка значною мірою залежить від активності сонця. Ця газова оболонка електропровідна. Після мезопаузи температура переходить через 273 К і швидко зростає. Але теплоємність такої атмосфери також дуже мала, відтак це не перешкоджає перебуванню на такій висоті космічних апаратів.

Іоносфера і термосфера знаходяться на висоті 200 – 800 км. Температура   досягає 2000 К в період сонячної активності та 1060 К якщо активність незначна. У іоносфері значно змінюється склад повітря під впливом УФВ: усі молекули Н2О, СО2 розпадаються , значна частка молекул О2, N2, дисоціює з утворенням атомів. Отже в цьому шарі гази знаходяться в іонізованому стані, який може викликати сяйво їх. У термосфері іонізацію посилюють метеорити  і в той же час, розпадаючись, створюють метеорний пил; потоки сонячних променів та електронів сприяють утворенню полярного сяйва та викликають зміни магнітного поля Землі, а також порушення на Землі дальнього радіозв’язку.

Екзосфера розміщена на висоті  понад 100км. Температура складає 2000оС. Низька густина повітря (переважно водень та гелій) і висока швидкість руху молекул (вона критична – 11.2 км/с) зумовлюють перехід їх після подолання земного тяжіння в міжпланетний простір за рахунок дисипації. Через це екзосферу називають ще сферою розсіювання.

 

Як бачимо, атмосфера не має  чітко вираженої межі. Поступово розріджуючись, вона переходить у міжпланетарний простір.

 

Для життя на Землі мають значення не тільки склад і властивості нижніх шарів атмосфери, але й процеси, що відбуваються у її вищих шарах. Верхні шари атмосфери, що перебувають під постійною дією УФВ є обширною ареною хімічних, фотохімічних та іонізаційних перетворень. До впливу електромагнітного випромінювання приєднується корпускулярне, яке складається з електронів,  протонів, альфа - частинок, нейтронів, та інших елементарних частинок матерії, котрі викидаються Сонцем.

В іоносфері існують стійкі і нестійкі іонізовані шари, що визначає температурний режим атмосфери і має велике значення для радіозв’язку.

На висоті близько 100 км над Землею атмосфера не розсіює променів світла, які визначають забарвлення неба, а вище 120 км небо стає зовсім чорним, але на горизонті Землі спостерігачам космічних кораблів відкривається незвичайна палітра фарб.

 

Завдання 1

 

Збереження стану стійкої рівноваги в біосфері передбачає глибоке вивчення процесів, які відбуваються у кожному її прошарку. Атмосфера або навколоземне космічне середовище   відіграє надзвичайно важливу екологічну роль для існування людини на Землі, а також Землі з її біооболонкою у Всесвіті. Сподіваємося, що ви, любі друзі, зацікавилися питаннями екології навколоземного космічного простору. Для подальшого, більш глибокого її вивчення ви повинні з перелічених нижче питань обрати собі ті, які вам до вподоби, та за допомогою сучасної літератури їх висвітлити.

1.Новий розділ глобальної екології "Екологія космосу" вирішує низку задач, пов’язаних із пошуками  шляхів гармонізації взаємовпливу людської діяльності в космічному просторі і стану біосфери. Якими ти бачиш ці задачі? Поясни, чи може сучасний стан космічного простору суттєво змінити основні процеси біосфери? Які існують перспективи зміни складу та функціювання біосфери?

2.Існує декілька моделей еволюції навколоземного космічного простору і пов’язаних з ними моделей виникнення живих організмів в історії еволюції Землі. Як ви вважаєте, яка з теорій найбільш відповідає сучасним науковим уявленням?

3. Поясніть, чим принципово відрізняється атмосфера Землі від атмосфер інших планет Сонячної системи? Чи можуть існувати там організми, схожі на Земні? Якими дослідженнями це підтверджено?

4. Відомо, що озоновий шар відіграє важливу екологічну роль у біосфері. Спробуйте визначити основні природні та антропогенні напрямки його руйнування та екологічні  наслідки. Як пояснити, чи не перетвориться увесь кисень атмосфери під впливом ультрафіолетового сонячного випромінювання на озон? Скільки орієнтовно озону в атмосфері?

5. Охарактеризуйте сучасний склад атмосферного повітря, виділяючи основні газові складові, малі газові складові аерозолі та антропогенні домішки. Які основні процеси відбуваються у нижній, середній та вищій атмосфері?

 

При розгляданні цих питань користуйтесь своїми знаннями з біології, хімії, фізики, математики. Можливо, в процесі роботи ви знайдете нетрадиційні відповіді на запитання. Ми з увагою їх оцінимо.

 

Бажаємо успіху!

 

Рекомендована література:

 

  1. Екологія і безпека життєдіяльності. Під ред. А.А.Мурав’я. М.: Юніті, 2000, 441с.
  2. Колотило Д.М. Екологія і економіка. Навч. посібник. К.: КНЕУ, 1999, -368с.
  3. Космонавтика. Енциклопедія, Радянська енциклопедія. М., 1985. 

Підготувала к.т.н.,  доцент О.В.Золотько

 

 


1
2
3