Физика окружающей среды

Рыженков Александр

Рис. 3. Большой круговорот воды

Современный круговорот воды происходит с участием биосферы и человека. Цикл его таков: вода, испаренная с поверхности водоемов, почвой, растениями, животными, конденсируется, образуя облака, и выпадает в виде осадков. Часть ее попадает в водоемы непосредственно, часть питает подземные воды, часть потребляется животными и растениями и возвращается опять в мировой океан уже как продукт жизнедеятельности.

Сравнение двух круговоротов воды показывает, как усложнилась

структура круговорота включением в него биоценозов и человека. Транспирация или дыхание растений и животных, внесло очень заметный вклад в водный цикл. Так, с единицы поверхности леса испаряется значительно больше воды, чем с такой же поверхности моря. Количество испаренной воды зависит от вида растений и типа почвы – сухая она или влажная. Подсчитано, что с гектара березового леса ежедневно испаряется 47 000 л воды, с гектара елового леса около 43 000 л. В среднем с гектара леса в год испаряется от 2000 до 6000 м³. Из этих данных можно с уверенностью сделать вывод о зависимости количества осадков в какой-либо местности от растительности.

В исследованиях ученого А. П. Бочкова показано, что сток небольших лесных районов на 50–95 % выше стока открытых безлесных районов. Из этого правила почти с очевидностью следует, что нынешняя трагедия в Сахеле (Южная Сахара), почти полное исчезновение воды не что иное, как продукт человеческой деятельности. Увеличение скотоводства привело к исчезновению растительности, а это в свою очередь, уменьшило испарение и соответствующие ему осадки. Локальные водные циклы на Севере Африки оказались разорванными руками человека. Похожие явления стали наблюдаться и в нашей стране в Калмыкии и на юге Украины в связи с постоянным уменьшением растительного покрова.

Антропогенное нарушение водных циклов. Единственным нарушителем круговорота природных вод является водопотребление обществом. Главные потребители пресной воды: сельское хозяйство, промышленность, сфера быта. Потребление воды зависит от соответствия расселения характеру потребности, уровня экономического развития и общей культуры людей. Однако, растущее использование воды с низкой эффективностью и продолжающееся во все больших масштабах загрязнение указывают на то, что человечество очень далеко от понимания важности водной проблемы, растут гигантские уровни потребления и загрязнения.

Наиболее водоемкие производства: металлургическое, целлюлозобумажное, сельскохозяйственное, пищевое.

Потребность в воде для производства 1 тонны продукции колеблется в очень широких пределах (таблица 4).

Таблица 4

Потребность в воде для производства 1 т

Любое производство и потребление связаны с отходами т. е. загрязнителями. Резко выросло в XX веке производство и потребление продуктов с органической основой: горюче-смазочные материалы, изделия из пластмасс, моющие средства, косметика и продукты питания.

Количество органических отходов в мире (таблица 2) велико и велика динамика их роста. Значительная часть их попадает в воду, где их разложение происходит в процессе окисления и под действием микроорганизмов. Для этого расходуется кислород, растворенный в воде. При незначительном количестве сбросов срабатывает механизм самоочищения, если отходов много, содержание кислорода в воде резко падает, вода загнивает и зарастает сине-зелеными водорослями, которые еще более снижают содержание кислорода. Процесс увеличения биогенных и органических веществ в воде – эвтрофикация.

Возможность

самоочищения вод оценивается показателем ВПК (биологическая потребность в кислороде), который указывает количество кислорода в миллиграммах, необходимое для окисления 1 г вещества за 1 час.

Наиболее ощутимо нарушение круговорота воды сельским хозяйством. Орошаемое земледелие занимает около 17 % всех обрабатываемых площадей. Все рисоводство и 70 % хлопководства требуют интенсивного орошения.

Расширение сельскохозяйственного производства, особенно при орошении и привело к увеличению забора воды из рек. Более 1/3 стока таких рек, как Дон, Днепр, Днестр разбирается по пути к морю, воды Аму-Дарьи и Сыр-Дарьи практически не доходят до Аральского моря. Из-за уменьшения притока пресной воды и увеличения сброса сточных вод резко уменьшились рыбные запасы Аральского моря.

Забор воды из Аму-Дарьи и Сыр-Дарьи привел к экологической катастрофе в бассейне Аральского моря и поставил под угрозу благосостояние и даже жизнь людей, населяющих приморскую зону. Уровень моря упал почти на 13 метров, вода отступила от берегов на десятки километров, а в южной части до 100 км. Все это привело к возрастанию солености моря, уменьшению осадков, опустыниванию и засолению земель в районе Арала. Изменилась климатическая ситуация. Раньше Арал, представлявший огромный аккумулятор тепла, формировал стабильные тепловые конвекционные потоки, поднимавшие вверх холодные воздушные массы, приходящие с Севера (рис 4). Холодный и влажный воздух достигал Памира и выпадал в виде дождя и снега, питая ледники и реки. Теперь эти потоки не в полной мере достигают Памира, так как над Аралом нет прежних мощных восходящих потоков. Некоторые специалисты считают, что Аральское море спасти не удастся и оно обречено на быстрое вымирание. В 1988 году вышло постановление правительства СССР о мерах по коренному изменению экологической обстановки в районе Аральского моря, была создана специальная комиссия по контролю за реализацией этого постановления.

Рис. 4. Водный цикл Арала

Бытовое водопотребление тоже довольно значительно, особенно в Токио, Мехико, Сан-Пауло, Москве, Нью-Йорке и других многомиллионных городах. Нагрузка на водные ресурсы зависит в основном от технологии и культуры потребления. Дефицит воды, например, в Москве, связан с непозволительной расточительностью и загрязнением. Во всех городах значительно превышены рациональные нормы расхода воды на одного жителя в сутки – 125–350 л. В 1980 г расход на одного жителя в сутки составлял: Минск – 283 л, Таллинн – 428, Ленинград – 456, Москва – 593, Душанбе – 564, Ташкент – 811. В европейских городах жители укладываются примерно в 270 л, Потери воды вместе с другими причинами связаны и с отсутствием надежных и простых расходомеров. Кстати, это серьезная и интересная работа для физиков и инженеров, разработать такой расходомер.

В перечень водопотребления обычно не включают энергетику. Это неверно. Во-первых, происходит тепловое загрязнение сбросами ТЭЦ, во-вторых, нарушается режим рек плотинами гидростанций и увеличивается испарение с поверхности водохранилища. Площадь всех искусственных водохранилищ России примерно равна территории Франции! При таких масштабах «покорения природы» не стоит удивляться чудесам погоды последних лет.

Круговорот вещества в атмосфере. Воздух одна из основных составляющих окружающей среды. Важную роль для жизни играет состав воздуха и физические процессы переноса вещества и энергии в форме круговоротов. Воздух состоит из газов: азот 78.084 %, кислород 20.948 %, аргон 0.934 %, другие и паров воды.