Изменение гидросферы

Введение

Гидросфера (от греч. hydro - вода и sphaira - шар) - водная оболочка Земли, представляющая собой совокупность океанов, морей и континентальных водных бассейнов (рек, озер, болот), подземных вод, ледников и снежных покровов. Ученые полагают, что она образовалась в раннем архее, то есть примерно 3800 млн. лет назад. В этот период на нашей планете установилась температура, при которой вода могла находиться в жидком агрегатном состоянии.

Гидросфера Земли выполняет три важные функции: она регулирует температуру планеты, обеспечивает круговорот веществ и является составной частью биосферы.

Непосредственное воздействие на регуляцию температуры Земли гидросфера оказывает благодаря одному из важных свойств воды - большой теплоемкости. По этой причине поверхностные воды аккумулируют солнечную энергию, а затем медленно ее отдают в окружающее пространство. Выравнивание температуры на поверхности Земли происходит исключительно благодаря круговороту воды. Кроме того, снег и лед имеют очень высокую отражающую способность. Поэтому на полюсах разность между поглощенной и излученной энергией всегда отрицательна. Так происходит терморегуляция планеты.

Так же в гидросфере около 3500 млн. лет назад зародилась жизнь. Эволюция организмов продолжалась исключительно в водной среде вплоть до начала палеозойской эры, когда примерно 400 млн. лет назад началось постепенное переселение животных и растительных организмов на сушу. В этой связи гидросферу рассматривают как компонент биосферы.

Характеризуя функции гидросферы на нашей планете, В. И. Вернадский отметил: «Вода определяет и создает всю биосферу. Она создает основные черты земной коры, вплоть до магматической оболочки».

1. Загрязнения гидросферы

Изменение состояния гидросферы определяется тремя основными причинами: истощение водных ресурсов из-за влияния человека на биосферу, резкое возрастание потребности в воде и загрязнение водных источников.

Наиболее интенсивному антропогенному воздействию подвергаются, прежде всего, поверхностные воды суши (реки, озера, болота, почвенные и грунтовые воды). Еще три десятилетия тому назад количество источников пресной воды было вполне достаточным для нормального обеспечения населения. Но в связи с бурным ростом промышленного и жилищного строительства воды стало не хватать, а ее качество резко упало. По данным Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ), около 80% всех инфекционных болезней в мире связано с неудовлетворительным качеством питьевой воды и нарушениями санитарно-гигиенических норм водоснабжения. Загрязнение поверхности водоемов пленками масла, жиров, смазочных материалов препятствует газообмену воды и атмосферы, что снижает насыщенность воды кислородом и отрицательно влияет на состояние фитопланктона и приводит к массовой гибели рыбы и птиц.

Загрязнение воды представляет собой серьезную проблему для экологии Земли. Оно приводит к тому, что в ней гибнут живые организмы. Эту воду нельзя пить без особой очистки. Источниками естественного загрязнения являются паводки, сель, размыв берегов, атмосферные осадки. Но больше всего вред водоисточникам наносит человек. В реки, озера, водоемы выбрасываются вредные отходы промышленности, бытовой мусор и фекальные воды, удобрения, навоз, нефтепродукты, тяжелые металлы и многое другое.

1.1 Загрязнение сточными водами

Главный загрязнитель - промышленные сточные воды, отходы и сбросы. Самые неблагополучные в этом смысле предприятия химии, нефтехимии, нефтепереработки, целлюлозно-бумажной отрасли. Сточные воды этих предприятий нередко содержат синтетические моющие средства, которые попадают в реки и моря. Скопления неорганических веществ влияют на водных обитателей, и уменьшают количество кислорода в воде, что приводит к образованию так называемых «мертвых зон», которых в мире уже около 400.

Нередко промышленные стоки, содержащие неорганические и органические отходы, спускаются в реки и моря. Ежегодно в водные источники попадают тысячи химических веществ, действие которых на окружающую среду заранее не известно. Многие из них представляют собой новые соединения. Хотя промышленные стоки во многих случаях подвергаются предварительной очистке, они все-таки содержат токсичные вещества, которые трудно обнаружить.

Если в сточных водах содержится много взвешенных твердых веществ, то они делают воду непрозрачной для солнечных лучей и тем самым препятствуют процессу фотосинтеза. Это в свою очередь вызывает нарушения в цепи питания в таких водоемах. Кроме того, твердые отходы вызывают заиливание рек и судоходных каналов, что приводит к необходимости частого проведения дноуглубительных работ.

1.2 Кислотные дожди

В результате попадания в атмосферу отработанных газов, выпускаемых металлургическими предприятиями, тепловыми электростанциями, нефтеперерабатывающими заводами, а также другими промышленными предприятиями и автомобильным транспортом, возникают кислотные дожди. Эти газы содержат оксиды серы и азота, которые соединяются с влагой и кислородом воздуха и образуют серную и азотную кислоты. Затем эти кислоты выпадают на землю - иногда на расстоянии многих сотен километров от источника загрязнения атмосферы. Кислотные дожди заметно повышают кислотность озер, прудов, водохранилищ. Со временем происходит их заболачивание, засорение, повышение илистости. Кроме того, в результате таких процессов вода становится непригодной для использования человеком. В ней повышается содержание солей тяжелых металлов и различных токсичных соединений. В таких странах, как Канада, США, ФРГ тысячи рек и озер остались без растительности и рыбы.

1.3 Тепловое загрязнение

Так же создает проблемы в реках и прибрежных океанических водах тепловое загрязнение. Обычно такое загрязнение связано с использованием природных вод в качестве охлаждающих агентов в промышленных процессах, например на электростанциях. Вода, возвращаемая в водоемы предприятиями, теплее исходной и, следовательно, содержит меньше растворенного кислорода. Одновременно нагревание среды увеличивает интенсивность метаболизма ее обитателей, а, значит, их потребность в кислороде. Если температура сбрасываемой воды незначительно отличается от температуры воды в водоеме, то никаких изменений биотического компонента экосистемы может не произойти. Если же температура повышается существенно, то происходит нарушение тонко сбалансированных циклов размножения различных организмов. Например, для проходных рыб типа лосося бедные кислородом участки рек становятся непреодолимыми препятствиями, и связь этих видов с нерестилищами прерывается. В условиях теплового загрязнения также наблюдается сильное зарастание водоемов водорослями, что приводит к вымиранию других живущих в воде организмов.
 

1.4 Загрязнение радионуклидами

Радиоактивное загрязнение гидросферы это превышение естественного уровня радионуклидов в воде. Основными источниками радиоактивного загрязнения Мирового океана являются крупномасштабные аварии (ЧАОС, аварии судов с атомными реакторами), загрязнения от испытаний ядерного оружия, захоронение радиоактивных отходов на дне, загрязнения радиоактивными отходами, которые непосредственно сбрасываются в море.

Отходы от английских и французских атомных заводов загрязнили радиоактивными элементами практически всю Северную Атлантику, особенно Северное, Норвежское, Гренландское, Баренцево и Белое моря. В загрязнение радионуклидами акватории Северного Ледовитого океана некоторый вклад сделан и Россией.

Работа трех подземных атомных реакторов и радиохимического завода по производству плутония, а также остальных производств в Красноярске привела к загрязнению одной из самых крупных рек мира - Енисея (на.протяжении 1500 км). Очевидно, что эти, радиоактивные продукты попали в Северный Ледовитый океан.

Воды Мирового океана загрязнены наиболее опасными радионуклидами цезия-137,стронция-90, церия-144, иттрия-91, ниобия-95, которые, обладая высокой биоаккумулирующей способностью, переходят по пищевым цепям, и концентрируются в морских организмах высших трофических уровней, создавая опасность, как для гидробионтов, так и для человека.

Различными источниками поступления радионуклидов загрязнены акватории арктических морей, так в 1982 г. максимальные загрязнения цезием-137 фиксировались в западной части Баренцева моря, которые в 6 раз превышали глобальное загрязнение вод Северной Атлантики. За 29-летний период наблюдений (1963-1992 гг.) концентрация стронция-90 в Белом и Баренцевом морях уменьшилась лишь в 3-5 раз.

Значительную опасность вызывают, затопленные в Карском море (около архипелага Новая Земля), 11 тыс. контейнеров с радиоактивными отходами, а также 15 аварийных реакторов с атомных подводных лодок.

Так же 11 марта 2011 года, на северо-востоке Японии произошло землетрясение магнитудой 9,0, получившее впоследствии название "Великого восточного землетрясения". Вслед за подземными толчками на побережье пришла 14-метровая волна цунами, которая затопила четыре из шести реакторов АЭС "Фукусима-1" и вывела из строя систему охлаждения реакторов, что привело к серии взрывов водорода, расплавлению активной зоны, в результате чего в атмосферу и океан попали радиоактивные вещества.

1.5 Загрязнение нефтью и нефтепродуктами

Источников поступления нефти в моря и океаны довольно много. Это аварии танкеров и буровых платформ, сброс балластных и очистных вод, принос загрязняющих компонентов реками. Большая часть нефти попадает в воду от двигателей внутреннего сгорания и промышленных предприятий.

Нефть является продуктом длительного распада и очень быстро покрывает поверхность воды нефтяной пленкой, которая препятствует доступу воздуха и света. В ряде случае толстый слой нефтепродуктов на водной поверхности может оказаться огнеопасным. Известны случаи загорания прудов отстойников на нефтеперерабатывающих заводах.

Во время выбросов нефти особенно страдают птицы, поскольку нефть пропитывает перья, лишая их как водоотталкивающих, так и теплоизоляционных свойств. Они оказываются неспособными ни плавать, ни поддерживать нужную температуру тела. Когда птицы пытаются выбраться из нефти, она облепляет их с ног до головы, лишая возможности видеть и отравляя весь организм.

Разливы нефти приводят к гибели морских млекопитающих. Морские выдры, полярные медведи, тюлени, новорожденные морские котики (которые выделяются наличием меха) погибают наиболее часто. Загрязненный нефтью мех начинает спутываться и теряет способность удерживать тепло и воду. Нефть, влияя на жировой слой тюлений и китообразных, усиливает расход тепла. Кроме того, нефть может вызвать раздражение кожи, глаз и препятствовать нормальной способности к плаванию. Попавшая в организм нефть может вызвать желудочно-кишечные кровотечения, почечную недостаточность, интоксикацию печени, нарушение кровяного давления. Если разлив нефти произошел неподалеку от города или иного населенного пункта, то отравляющий эффект усиливается, потому что нефть/нефтепродукты образуют опасные "коктейли" с иными загрязнителями человеческого происхождения. Так же пары от испарений нефти ведут к проблемам органов дыхания у млекопитающих, которые находятся около или в непосредственной близости с большими разливами нефти.

Как нефть, так и нефтяные смолы (гудрон) содержат некоторые канцерогенные вещества. Результаты нескольких исследований, проведенных на моллюсках в загрязненных водах, свидетельствуют о том, что у этих животных обнаруживается аномально большое число новообразований, сходных с раковыми опухолями человека.

Рыбы подвергаются воздействию разливов нефти в воде при употреблении загрязненной пищи и воды, а также при соприкосновении с нефтью во время движения икры. Гибель рыбы, исключая молодь, происходит обычно при серьезных разливах нефти. Однако сырая нефть и нефтепродукты отличаются разнообразием токсичного воздействия на разные виды рыб. Концентрация 0,5 миллионной доли нефти в воде способна привести к гибели форели. Почти летальный эффект нефть оказывает на сердце, изменяет дыхание, увеличивает печень, замедляет рост, разрушает плавники, приводит к различным биологическим и клеточным изменениям, влияет на поведение. Кроме того, нефтепродукты в воде оказывают прямое токсическое действие на рыбу, резко ухудшают ее вкусовые качества.

После попадания нефти или нефтепродуктов в воду требуется определенное время для исчезновения их следов. Сюда надо включить и время, необходимое для повторного заселения загрязненной зоны теми же и в том же количестве организмами, которые обитали здесь ранее. Если выброс нефти не привел к полной гибели всех местных организмов, то оставшиеся, размножаясь, начинают заполнять свободное пространство, по мере того как исчезает нефть.
 

2. Истощения водных ресурсов

Пресные воды составляют ничтожную (около 2% гидросферы) долю от общих запасов воды в природе. Пресная вода, доступная для использования, находится в реках, озерах и подземных водах. Ее доля от всей гидросферы составляет 0,3%. Ресурсы пресной воды распределены крайне неравномерно, часто обилие воды не совпадает с районами повышенной хозяйственной деятельности. В этой связи возникает проблема недостатка и истощения водных ресурсов и особенно пресной воды. Она усугубляется все возрастающими объемами ее использования.

Проблема истощения водных ресурсов возникает по нескольким причинам, главные из которых: неравномерное распределение воды во времени и пространстве, рост ее потребления человечеством, потери воды при транспортировке и использовании, ухудшение качества воды и как крайний случай - ее загрязнение.

Основные причины истощения пресной воды антропогенные.

Потери пресной воды увеличиваются с ростом ее потребления на душу населения и связаны с использованием воды для хозяйственных нужд. Чаще всего это объясняется несовершенством технологии промышленного, сельскохозяйственного производства и коммунальных служб.

Потери воды и истощение водных ресурсов во многом связаны с недостаточным знанием природных условий (геолого-литологических и гидрогеологических, климатических и метеорологических, биологических), внутренних закономерностей и механизмов развития экосистем.

Ухудшение качества и загрязнение воды связано с попаданием в реки и другие поверхностные водоемы загрязняющих веществ, продуктов деятельности человека. Этот вид истощения пресных вод наиболее опасен и становится все более угрожающим для здоровья людей и состояния жизни на Земле. Его крайнее проявление - катастрофическое загрязнение вод.

В настоящее время от недостатка воды страдает около 1,5 млрд жителей земли, а к 2050 году их число, по прогнозам, может вырасти до 3,5 млрд. Уже сейчас ряд относительно развитых стран, в числе которых Бразилия, Турция, Япония, Китая и Италия, вынуждены импортировать воду для нужд своего сельского хозяйства, и предпосылок для улучшения ситуации пока что не видно. Более того, дефицит воды уже в ближайшие годы может превратиться в экономический фактор - в ряде стран могут быть свернуты целые отрасли промышленности, потребности которых в воде будут превосходить возможности данных государств.

2.1 Использование воды в сельском хозяйстве

Земледелие - самый крупный потребитель воды. В Египте, где почти не бывает дождей, все земледелие основано на орошении, тогда как в Великобритании практически все сельскохозяйственные культуры обеспечиваются влагой за счет атмосферных осадков. В США орошается 10% сельскохозяйственных земель, в основном на западе страны. Значительная часть сельскохозяйственных угодий искусственно орошается в следующих азиатских странах: Китае (68%), Японии (57%), Ираке (53%), Иране (45%), Саудовской Аравии (43%), Пакистане (42%), Израиле (38%), Индии и Индонезии (по 27%), Таиланде (25%), Сирии (16%), Филиппинах (12%) и Вьетнаме (10%). В Африке, кроме Египта, существенна доля орошаемых земель в Судане (22%), Свазиленде (20%) и Сомали (17%), а в Америке - в Гайане (62%), Чили (46%), Мексике (22%) и на Кубе (18%). В Европе орошаемое земледелие развито в Греции (15%), Франции (12%), Испании и Италии (по 11%). В Австралии орошается ок. 9% сельскохозяйственных угодий и ок. 5% - в бывшем СССР.

Потребление воды разными культурами. Для получения высоких урожаев требуется много воды: так, например, на выращивание 1 кг вишни расходуется 3000 л воды, риса - 2400 л, кукурузы в початках и пшеницы - 1000 л, зеленых бобов - 800 л, винограда - 590 л, шпината - 510 л, картофеля - 200 л и лука - 130 л. Примерное количество воды, затрачиваемое только на выращивание (а не на переработку или приготовление) пищевых культур, потребляемых ежедневно одним человеком в западных странах, - на завтрак около 760 л, на обед (ланч) 5300 л и на ужин - 10 600 л, что в целом за сутки составляет 16 600 л.

В сельском хозяйстве вода идет не только на полив посевов, но также на пополнение запасов подземных вод (чтобы предупредить слишком быстрое опускание уровня грунтовых вод); на вымывание (или выщелачивание) солей, накопившихся в почве, на глубину ниже корнеобитаемой зоны возделываемых культур; для опрыскивания против вредителей и болезней; защиты от заморозков; внесения удобрений; снижения температуры воздуха и почвы летом; для ухода за домашним скотом; эвакуации обработанных сточных вод, используемых для орошения (преимущественно зерновых культур); и переработки собранного урожая.

Пищевая промышленность. Для переработки разных пищевых культур требуется неодинаковое количество воды в зависимости от продукта, технологии изготовления и доступности воды соответствующего качества в достаточном объеме. В США на производство 1 т хлеба расходуется от 2000 до 4000 л воды, а в Европе - лишь 1000 л и всего 600 л в некоторых других странах. Для консервирования фруктов и овощей требуется от 10 000 до 50 000 л воды на 1 т в Канаде, а в Израиле, где вода представляет собой большой дефицит, - только 4000-1500. «Чемпионом» по затратам воды является лимская фасоль, на консервирование 1 т которой в США расходуется 70 000 л воды. На переработку 1 т сахарной свеклы затрачивается 1800 л воды в Израиле, 11 000 л во Франции и 15 000 л в Великобритании. На переработку 1 т молока требуется от 2000 до 5000 л воды, а на производство 1000 л пива в Великобритании - 6000 л, а в Канаде - 20 000 л.

Промышленное водопотребление.

Целлюлозно-бумажная промышленность - одна из самых водоемких вследствие огромного объема перерабатываемого сырья. На производство каждой тонны целлюлозы и бумаги в среднем затрачивается 150 000 л. воды во Франции и 236 000 л. в США. В процессе производства газетной бумаги на Тайване и в Канаде расходуется около 190 000 л. воды на 1 тонну продукции, производство же тонны высококачественной бумаги в Швеции требует 1 млн. л. воды.

Топливная промышленность. Для производства 1000 л. высококачественного авиационного бензина необходимо 25 000 л. воды, а автомобильного бензина - на две трети меньше.

Текстильная промышленность требует много воды для замачивания сырья, его очистки и промывки, отбеливания, крашения и отделки тканей и для других технологических процессов. Для производства каждой тонны хлопчатобумажной ткани необходимо от 10 000 до 250 000 л. воды, шерстяной - до 400 000 л. Изготовление синтетических тканей требует значительно больше воды - до 2 млн. л. на 1 т продукции.

Металлургическая промышленность. В ЮАР при добыче 1 тонны золотой руды расходуется 1000 л. воды, в США при добыче 1 т. железной руды 4000 л и 1 т бокситов - 12 000 л. Для производства железа и стали в США требуется примерно 86 000 л воды на каждую тонну продукции, но до 4000 л из них составляют безвозвратные потери (главным образом, на испарение), и, следовательно, примерно 82 000 л воды может быть использовано повторно. Водопотребление в черной металлургии значительно варьирует по странам. На производство 1 т чугуна в чушках в Канаде тратится 130 000 л воды, на выплавку 1 т чугуна в доменной печи в США - 103 000 л, стали в электропечах во Франции - 40 000 л, а в Германии - 8000-12 000 л.

Электроэнергетика. Для производства электроэнергии на ГЭС используется энергия падающей воды, приводящая в движение гидравлические турбины. В США на ГЭС ежедневно расходуется 10 600 млрд. л воды.
 

3. Решение проблем

Перераспределение стока направлено на обеспечение водой тех районов, где ее не хватает, а охрана водных ресурсов - на уменьшение невосполнимых потерь воды и сокращение потребности в ней на местах.

Перераспределение стока. Хотя традиционно многие крупные поселения возникали близ постоянных водных источников, в настоящее время некоторые населенные пункты создают также в районах, которые получают воду издалека. Даже в тех случаях, когда источник дополнительного водоснабжения находится в пределах того же штата или страны, что и пункт назначения, возникают технические, экологические или экономические проблемы, но если импортируемая вода пересекает государственные границы, то число потенциальных осложнений возрастает.

Один из масштабных проектов переброски стока, предложенный в Северной Америке, предусматривает отведение 20% избыточной воды из северо-западных районов в аридные области. При этом ежегодно перераспределялось бы до 310 млн.м3 воды, сквозная система водохранилищ, каналов и рек способствовала бы развитию навигации во внутренних районах, Великие озера ежегодно получали бы дополнительно 50 млн.м3 воды (что компенсировало бы понижение их уровня), и вырабатывалось бы до 150 млн. кВт электроэнергии. Другой грандиозный план переброски стока связан с сооружением Большого Канадского канала, по которому вода направлялась бы из северо-восточных районов Канады в западные, а оттуда - в США и Мексику.

Большое внимание привлекает проект буксировки айсбергов из Антарктики в аридные районы, например на Аравийский п-ов, что позволит ежегодно обеспечивать пресной водой от 4 до 6 млрд. человек или орошать ок. 80 млн. га земель.

Одним из альтернативных методов водоснабжения является опреснение соленой воды, главным образом океанической, и транспортировка ее к местам потребления, что технически осуществимо благодаря применению электродиализа, вымораживания и различных систем дистилляции. Чем крупнее опреснительная установка, тем дешевле обходится получение пресной воды. Но с увеличением стоимости электроэнергии опреснение становится экономически невыгодным. Его используют лишь в тех случаях, когда энергия легкодоступна и другие способы получения пресной воды нецелесообразны. Коммерческие опреснительные установки действуют на островах Кюрасао и Аруба (в Карибском море), в Кувейте, Бахрейне, Израиле, Гибралтаре, на о.Гернси и в США. В других странах были построены многочисленные демонстрационные установки меньшей мощности.

Охрана водных ресурсов. Существует два широко распространенных способа сбережения водных ресурсов: сохранение существующих запасов пригодной к употреблению воды и приумножение ее запасов путем сооружения боле совершенных коллекторов. Накопление воды в водохранилищах предотвращает ее сток в океан, откуда она может быть вновь извлечена лишь в процессе круговорота воды в природе или путем опреснения. Водохранилища тоже облегчают водопользование в нужное время. Вода может храниться в подземных полостях. При этом не происходит потерь влаги на испарение, и сберегаются ценные земли. Сохранению существующих запасов воды способствуют каналы, не допускающие просачивание воды в грунт и обеспечивающие ее эффективную транспортировку; применение более эффективных методов орошения с использованием сточных вод; сокращение объема воды, стекающей с полей или фильтрующейся ниже корнеобитаемой зоны посевных культур; бережное использование воды на бытовые нужды.

Однако каждый из этих способов сбережения водных ресурсов оказывает то или иное воздействие на окружающую среду. Например, плотины портят естественную красоту незарегулированных рек и препятствуют аккумуляции на поймах плодородных илистых наносов. Предотвращение потерь воды в результате фильтрации в каналах может нарушить водообеспечение болот и тем самым неблагоприятно отразиться на состоянии их экосистем. Это может также препятствовать пополнению запасов грунтовых вод, влияя таким образом на водоснабжение других потребителей. А для уменьшения объема испарения и транспирации сельскохозяйственными культурами необходимо сокращать посевные площади. Последняя мера оправдана в районах, страдающих от нехватки воды, где при этом проводится режим экономии за счет сокращения расходов на ирригацию из-за высокой стоимости энергии, необходимой для подачи воды.

Заключение

Последствия, к которым ведёт расточительное, небрежное отношение человечества к Океану, ужасающи. Уничтожение планктона, рыб и других обитателей океанских вод - далеко не всё. Ущерб может быть гораздо большим. Ведь у Мирового океана имеются общепланетарные функции: он является мощным регулятором влагооборота и теплового режима Земли, а также циркуляции её атмосферы. Загрязнения способны вызвать весьма существенные изменения всех этих характеристик, жизненно важных для режима климата и погоды на всей планете. Симптомы таких изменений наблюдаются уже сегодня. Повторяются жестокие засухи и наводнения, появляются разрушительные ураганы, сильнейшие морозы приходят даже в тропики, где их отроду не бывало. Разумеется, пока нельзя даже приблизительно оценить зависимость подобного ущерба от степени загрязненности. Мирового океана, однако, взаимосвязь, несомненно, существует. Как бы там ни было, охрана океана является одной из глобальных проблем человечества. Мертвый океан - мертвая планета, а значит, и все человечество.