Строение Земли, ее оболочки, их структура, взаимосвязь, динамика

 В лабораторных условиях  наблюдать экспоненциальный рост  можно в популяциях дрожжей, водоросли  хлореллы, бактерий на начальных  стадиях роста.

 В природе экспоненциальный  рост наблюдается при вспышках  саранчи, непарного шелкопряда и  других насекомых. Экспоненциально  может расти численность животных, заселенных в новую местность, где у них мало врагов и  много пищи ( класический пример - рост численности кроликов, завезенных  в Австралию).

 Во всех этих случаях  экспоненциальный рост наблюдается  в течене коротких промежутков  времени, после чего скорость  роста численности снижается.

Модель Мальтуса (рождаемость смертность)

В популяциях микроорганизмов удельная скорость роста зависит от скорости деления клеток. Исходные клетки делятся на дочерние, что и определяет прирост численности.

 В популяциях многоклеточных  организмов удельная скорость  роста зависит от рождаемости  и смертности.

 Рождаемость характеризует  частоту появления новых особей  в популяции. Различают рождаемость  абсолютную и удельную. Абсолютная  рождаемость  - число особей , появившихся  в популяции за единицу времени. Удельная рождаемость выражается  в числе особей на особь  в единицу времени. Например, для  популяции человека как показатель  удельной рождаемости обычно  используют число детей, родившихся  в год на 1000 человек.

Смертность (абсолютная и удельная) характеризует скорость убывания численности популяции, вследствие гибели особей от хищников, болезней, старости и т.д.

 Используя такие параметры  модели изменения численности  популяции , австрийский священник  Мальтус опубликовал в 1802 году  результаты своих исследований , основанных на данных о росте  населения в американских колониях. Приведем его рассуждения.

Математическая модель

 Пусть в популяции  с начальной численностью N особей  за промежуток времени dt появляется dN новых особей. Если число вновь появившихся особей прямо пропорционально N и dt. то имеем уравнение dN=r*dt*N. Разделив обе части на dt получим

dN/dt = r*N (1)

dN/dt - абсолютная скорость  роста численности ,  r - биотический  потенциал

 решением уравнения (1) будет

N(t)=N0*ert (2)

 в дискретном виде  это уравнение можно записать  так

N(t+1)=N0*er*(t-t0) (3)

 

Модель Ферхюльста (рождаемость и смертность с учетом роста численности)

 

Как правило, численность популяции зависит не только от рождаемости и смертности, но и от ограниченности пищевых и других ресурсов. Вскоре за созданием модели Мальтуса, бельгийский математик Ферхюльст задался вопросом: будет ли население Бельгии расти неограниченно? Ответом на этот вопрос было создание новой модели динамики численности популяции при ограниченных ресурсах, описываемая следующим уравнением:

dN/dt=r*N-m*N2(1)

r - удельная скорость роста  численности

N - численность популяции

m - число встреч членов  популяции, при котором они могут  конкурировать за какой-либо ресурс

 уравнение это отличается  от уравнения экспотенциального  роста (уравнения Мальтуса) выражением m*N2, которое как раз и отражает  ограниченность ресурсов.

 Перепишем уравнение (1) так:

dN/dt=N(r-m*N) (2)

 Выражение в скобках - это удельная скорость роста  популяции. Причем чем больше  численность популяции (N), тем меньше  скорость роста .Если в правой  части уравнения вынести за  скобки выражение r

dN/dt=N*r(1-N*m/r)

 и обозначить m/r за 1/K, то уравнение (1) можно переписать  так:

dN/dt=N*r(1-N/K) (3)

 При малых N значением N/K можно пренебречь, и тогда рост  численности идет по экспоненциальному  закону, при возрастании N и неизменном K  рост численности будет замедляться, и при N близком к К рост остановится. Величину К называют емкостью  среды. Она отражает возможности  среды обитания предоставить  популяции нужные для ее роста  ресурсы.

Уравнение (3) графически отображается в виде S- образной кривой. Эта кривая называется логистической кривой, а рост численности ,соответствующий уравнению (3) - логистическим.

 Исследуя кривую, можно  сказать , что максимальная скорость  роста достигается , когда численность  равна K/2. В некоторый момент численность  стабилизируется и остается постоянной  величиной.

 Популяции, существующие  в условиях ограниченных ресурсов, часто хорошо подчиняются правилам  логистического роста. Например, когда  овцы были завезены в Тасманию, рост их стада описывался логистической  кривой.

 Но правила логистического  роста приложимы не ко всем  случаям. Например, у размножающихся  половым путем видов, при слишком  малой численности мала вероятность  встреч особей разного пола  и размножение может вообще  прекратиться.

 Для реализации модели  в среде электронных таблиц  уравнение (3) следует представить  в дискретном виде

N(i+1)=N(i)*r*(1-N(i)/K) (4)

 где N(i) - численность популяции  в i-й момент времени;

r -удельная скорость роста  популяции (рождаемость/ смерность);

К - емкость среды

 

 

3. Малый биотический круговорот веществ в биосфере

 

Круговорот веществ проявляется в многократном участия веществ в процессах, происходящих в атмосфере, гидросфере, литосфере и в том числе в тех их слоях, входящих в состав биосферы Различают два основных круговороты веществ: большой (геологический) и малый (биологический, или биотический), которые охватывают всю планету.

Малым, или биологическим, круговоротом веществ называют обмен химическими элементами между живыми организмами и неживыми (косного) компонентами биосферы - атмосферой, гидросферой и литосферой Иными словам мы, это две стороны единого процесса - образования живого вещества и его расписание Этот круговорот характеризуется тем, что сначала живое вещество заряжается энергией, а затем в процессе разложения органических концов энергия возвращается в окружающую среду Биологический круговорот - это циркуляция веществ между почвой, растениями, животными и микроорганизмами. Эта циркуляция происходит в такой последовательности: сначала минеральные вещества и энергия поглощаются из окружающей среды и включаются в состав растительных организмов, затем от растений через трофические цепи они переходят в организм и животных и других консументов и далее через звено редуцентов возвращаются обратно в почву или атмосферу.

Биологический круговорот веществ и энергии характерен для экосистем любого уровня организации - от отдельного комплекса живых организмов до биосферы в целом Организмы привлекают атомы биогенных вещественные вин из косного части биосферы и включают их к своему организму, где поглощены вещества поступают в различные биохимические реакции, а затем выделяются во внешнюю среду в виде продуктов жизнедеятельности или мертвых тел Организованное таким образом жизнь на Земле существует уже миллиарды лет.

 

4. Радионуклиды, токсичные элементы и специфика их движения в различных средах.

В окружающей нас внешней среде, в воздухе, воде, пище, зданиях и сооружениях, предметах обихода всегда находятся те или иные радионуклиды.

 Все они имеют двоякое  происхождение: одни из них, так  называемые природные радионуклиды, извечно находятся на Земле, в  то время как другие появились  в природе в результате деятельности  человека (в результате испытаний  ядерного оружия, работы предприятий  ядерно-топливного цикла, радиационных  аварий). В последнем случае говорят  о радионуклидах антропогенного  происхождения.

После радиационной аварии на Чернобыльской АЭС мы нередко слышим о радиационном фоне. Естественно, возникают вопросы: из чего он складывается? насколько он велик? можно ли его снизить?

Все живые организмы, включая человека, подвергаются воздействию ионизирующих излучений. Первый способ — внешнее облучение от источника, расположенного вне организма, которое в основном зависит от радиационного фона местности, на которой проживает человек или от других внешних факторов. Второй — внутреннее облучение, обусловленное поступлением внутрь организма радиактивного вещества, главным образом с продуктами питания и вдыхаемым воздухом.

 

Вообще говоря, радиационный фон Земли включает три основные компоненты: космическое излучение, ионизирующее излучение от рассеянных в природе естественных радионуклидов, излучение от искусственных радионуклидов, появившихся в окружающей среде в результате деятельности человека.

Естественными радиоактивными веществами принято считать вещества, которые образовались и воздействуют на человека без его участия — это "земная радиация". По данным Научного комитета по действию атомной радиации ООН, средняя эффективная эквивалентная доза внешнего облучения населения от естественных источников ионизирующей радиации составляет примерно до 35 мбэр. Однако во многих районах земного шара этот показатель оказывается более высоким, т. к. концентрация природных радионуклидов может быть в некоторых областях существенно выше по сравнению с "нормальными" районами. Повышенные концентрации природных радионуклидов в основных породах обнаружены в отдельных районах Франции. Индии, Бразилии, Ирана и др. стран. Словом, районов проживания населения с повышенной земной радиацией более чем достаточно.

Земная радиация была открыта более 100 лет назад. В основном ответственность за естественную земную радиацию несут три элемента из семейства радиоактивных элементов. Это уран, торий и актиний. Основные радиоактивные изотопы, встречающиеся в земной коре, — калий-40, рубидий-87 и члены двух радиоактивных семейств — уран-238 и торий-232.

Источники ионизирующих излучений подразделяют на естественные и техногенные. К естественным источникам относятся компоненты экосистем, содержащие радионуклиды в их первозданном состоянии. Это космическое излучение и космогенные нуклиды, а также радионуклиды, содержащиеся в горных породах, почвах, гидросфере и атмосфере. К техногенным источникам относятся объекты, образовавшиеся в связи с разработкой человеком различных технологических процессов. Это выбросы АЭС и ТЭС на угле, проведение сельскохозяйственных и промышленных работ, обеспечивающих повышение урожайности и производительности труда.

Радионуклиды, находящиеся в окружающей среде, являются источниками как внешнего, так и внутреннего облучения.

Большинство источников естественной радиации внешнего облучения таковы, что избежать облучения от них практически невозможно. Это космическое излучение и космогенные радионуклиды, содержащиеся в атмосфере, а также фон γ -излучения нуклидов, содержащихся в почве и грунте.

Имеющиеся в природе элементы с порядковыми номерами Z = 1…….83 состоят в основном из стабильных нуклидов и незначительного количества долгоживущих изотопов с Т1/2 > 109 лет (табл. 7.1) [1]. В этой области только у двух элементов Тс (Z = 43) и Pm (Z = 61) нет ни одного стабильного изотопа. У тяжелых элементов с порядковыми номерами более 83 (от полония и выше) стабильных изотопов вообще нет. Радиоактивные нуклиды: 40K (1,28 ×109 лет), 187Re (5 ×1010 лет), 238U (4,468 ×109 лет), 232Th (1,28 ×1010 лет) и др., представленные в табл. 7.2, являются долгоживущими нуклидами, еще не распавшимися на сегодняшний день со времени образования Земли. Вероятно, единственным радиоактивным изотопом с предельно малым периодом полураспада, который еще сохранился в природе, является 235U (7,038 ×108 лет). Если предположить, что содержание 235U при образовании Земли составляло примерно 10 % от количества ядер 238U, а сегодняшняя его распространенность 0,72 %, то время существования Земли примерно равно 3,3 ×109 лет. Начальное содержание 235U, большее, чем 10 %, в природном уране маловероятно, поскольку это вызвало бы протекание цепной ядерной реакции деления во многих месторождениях урана на Земле. Однако следы такого процесса обнаружены лишь на одном месторождении Окло в 1972 г. (государство Габон, Африка [4]). Поэтому такой сравнительно долгоживущий изотоп как 147Sm (1,03 ×108 лет), не обнаруженный в природном самарии, по-видимому полностью распался, как и многие другие нуклиды с периодами полураспада менее 1 ×108 лет. В табл. 7.3 приведены удельная активность элементов (Бк/кг), содержащих естественные долгоживущие радионуклиды, а также удельная активность земной коры и морской воды, обусловленная распадом конкретного радионуклида, вычисленная исходя из содержания элементов в этих средах [1, 2].

 

Токсичные элементы (в частности, некоторые тяжелые металлы) составляют обширную и весьма опасную в токсикологическом отношении группу веществ. Обычно рассматривают 14 элементов: Hg (ртуть), Pb (свинец), Cd (кадмий), As (мышьяк), Sb (сурьма), Sn (олово), Zn (цинк), Al (алюминий), Be (бериллий), Fe (железо), Cu (медь), Ba (барий), Cr (хром), Tl (таллий). Разумеется, не все перечисленные элементы являются ядовитыми, некоторые из них необходимы для нормальной жизнедеятельности человека и животных. Поэтому часто трудно провести четкую границу между биологически необходимыми и вредными для здоровья человека веществами.

В большинстве случаев реализация того или иного эффекта зависит от концентрации. При повышении оптимальной физиологической концентрации элемента в организме может наступить интоксикация, а дефицит многих элементов в пище и воде может привести к достаточно тяжелым и трудно распознаваемым явлениям недостаточности.

Зависимость вредного или полезного действия некоторых элементов от концентрации показана на рис. 11.3.

Для веществ, относящихся к так называемым супертоксикантам, плато, характеризующее норму, отсутствует (или очень короткое), а крутизна нисходящей ветви характеризует токсичность вещества (рис. 11.4).

Загрязнение водоемов, атмосферы, почвы, сельскохозяйственных растений и пищевых продуктов токсичными металлами происходит за счет:

• выбросов промышленных предприятий (особенно угольной, металлургической и химической промышленности);
• выбросов городского транспорта (имеется в виду загрязнение свинцом от сгорания этилированного бензина);
• применения в консервном производстве некачественных внутренних покрытий и при нарушении технологии припоев;
• контакта с оборудованием (для пищевых целей допускается весьма ограниченное число сталей и других сплавов).

 

 

5. Классификация химических загрязнителей атмосферы.

 

Химическое загрязнение – поступление в окружающую среду загрязнителей в виде химических веществ, образующихся непосредственно в ходе естественных, природно-антропогенных и антропогенных процессов (первичное загрязнение), либо образование (синтез) вредных и опасных загрязнителей в ходе физико-химических процессов в среде (вторичное загрязнение). Необходимо отметить, что в развитых странах благодаря принятым в последние два–три десятилетия мерам по сокращению техногенных воздействий химическое загрязнение отошло на второй план, уступив первое место радиационному загрязнению. В нашей стране опасность химического загрязнения окружающей среды по-прежнему находится на первом месте среди других видов загрязнения