Главная / Медикаменты / Энергетика и экология россии. Проблемы энергетики Экологические проблемы связанные с энергией

Энергетика и экология россии. Проблемы энергетики Экологические проблемы связанные с энергией

Мир современной энергетики является основополагающим условием для развития разнообразных отраслей промышленности. Промышленно развитые страны отличаются стремительными темпами развития энергетики, которые опережают темпы развития отраслевой промышленности.

В свою очередь, энергетика является серьезным источником неблагоприятного воздействия на человека и окружающую среду. Это влияние сказывается на атмосфере, за счет высокого потребления кислорода, выбросов газов, твердых частиц и влаги.

Гидросфера из-за потребления воды на нужды энергетики, создания искусственных водохранилищ, сбросов жидких отходов, нагретых и загрязненных вод. Существенно изменяется и литосфера по причине чрезмерного потребления ископаемых топливных ресурсов, изменения ландшафтов, выброса токсичных веществ.

Влияние на водные ресурсы

Современные технологии отличаются, как преимуществами, так и недостатками. К примеру, количество произведенной электроэнергии зависит от водных ресурсов, которые могут истощаться во время засухи.

Это играет огромную роль для энергетического комплекса страны. Энергетика и экология – сомнительное сочетание, когда речь идет о строительстве плотин, переселении жителей, заилении водохранилищ, пересыхании русел рек, затоплении огромных территорий, значительной затратности проектов.

Изменение уровня воды в реках приводит к полной гибели растительности, плотины становятся серьезным препятствием для миграции рыб, ГЭС многокаскадного типа уже превратили реки в озера, перерастающие в болота. Россия получает при использовании гидроресурсов не более 20% энергии, а при строительстве только одной ГЭС затапливается более 6 миллионов гектар. Таким образом, энергетика влияет на экологию , и это неравноценный по потерям для природы обмен.

Истощение, загрязнение

Что касается влияния энергии ТЭС на экологию, то можно отметить, как главный фактор, выделение вредных веществ в виде закиси углерода, соединений азота, свинца и значительного количества тепла. 5 миллиардов тонн угля ежегодно сжигается и более трех миллионов тонн нефти, что сопровождается гигантским выбросом в атмосферу Земли тепла.

Нынешние темпы потребления угля приведут к неминуемому истощению ископаемого через 150 – 200 лет, нефти - через 40 – 50 лет, газа, предположительно, - через 60. Полный спектр работ по добыче, транспортировке и сжигании данного вида топлива сопровождается процессами, ощутимо влияющими на загрязнение окружающей среды.

Связано с добычей угля и засолением водных ресурсов. Помимо этого, откаченная вода содержит радон и изотопы радия. А атмосфера загрязняется продуктами сжигания угля в виде оксидов серы – 120 тысяч тонн, окислов азота – 20 тысяч тонн, пепла 1500 тонн, оксида углерода – 7 миллионов тонн.

Кроме того, происходит при горении образование более 300 тысяч тонн золы, включающей в себя 400 тонн токсичных металлов в виде ртути, мышьяка, свинца и кадмия. Работу ТЭС можно сопоставить, по выбросам в атмосферу радиоактивных веществ, с работой АЭС аналогичной мощности.

Ежегодные выбросы оксидов углерода способствуют повышению температуры на Земле, что может привести к вполне предсказуемым климатическим изменениям.

Влияние энергетики на экологию , когда речь идет о нефти и газе, достигло катастрофических и глобальных масштабов. Ученые утверждают, что выбросы от сжигания нефти и угля ежегодно влияют на состояние здоровья людей примерно так же, как авария на Чернобыльской АЭС. Этот «тихий Чернобыль», обладает последствиями, результаты которого пока невидимы, но они целенаправленно и постоянно уничтожают экологию.

Как получить энергию без вреда для экологии

Солнце – неисчерпаемый источник тепла. Среди существующих традиционных видов альтернативной энергетики (энергия волн, земли, ветра, приливов, геотермальная энергия, а также энергия из газа от мусорных свалок и навоза на фермах) основным видом является энергия Солнца.

Человеческий мир, постоянно находящийся в поисках энергии, только недавно обратил внимание на источник энергетического изобилия. Использование энергии Солнца для нужд промышленности на данном этапе обходится дорого.

Но тенденция снижения цен за последние годы существенно снизилась и за последние пять лет стала в два раза ниже первоначальной. Изменение и усовершенствование технологий уже завтра может сделать солнечную энергию доступной и неограниченной.

Альтернативная энергетика и экология: факты

Возобновляемые источники энергии в Шотландии приходятся на треть всего объема вырабатываемой энергии.
К 2027 году Евросоюзом планируется довести долю альтернативной энергетики до 20%.
Альтернативная энергетика способствует созданию рабочих мест.
Использование отходов жизнедеятельности крупного рогатого скота в целях переработки в биогаз даст возможность обеспечить электроэнергией жителей планеты и сократить выбросы парниковых газов.
Альтернативная энергетика - более привлекательная отрасль для инвесторов, которые отдают ей предпочтение перед другими видами топлива.

Эти и многие другие факты могут обеспечить наши энергетические потребности без ущерба для экологии, что оздоровит нашу природу и население планеты.

«Энергия будущего»

Необычный источник энергии - фотосинтез

Черкашина Наталья Федоровна

Научный руководитель:

Матанцева Ирина Анатольевна

Курчатов 2006

1.Экологические проблемы энергетики…………………………………………3 – 5

1.1. Экологические проблемы тепловой энергетики……………………………3

1.2. Проблемы экологии в ядерной энергетике………………………………….4

1.3. Экологические проблемы гидроэнергетике…………………………………5

1.4. Некоторые пути решения проблем современной энергетики………………5

2. Альтернативные источники получения энергии…………………...…...……6 – 8

2.1. Ветер как источник энергии…………………………………………………...6

2.2. Возможности использования нетрадиционных гидроресурсов……………..6

2.3. Энергетические ресурсы морских, океанических и термальных вод………6

2.4. Солнце как источник тепловой энергии………………………………………7

2.5. Использование солнечной энергии через фотосинтез и биомассу………….7

2.6. Заключение………………………………………………………………..........8

3. История фотосинтеза…………………………………………………………9 - 12

3.1. Скорость фотосинтеза………………………………………………………...11

3.2. Опыт с мечеными атомами…………………………………………………...12

4. Что такое фотосинтез?………………………………………………………13 – 20

4.1. Запасание энергии……………………………………………………………14

4.2. Ассимиляция двуокиси углерода……………………………………………15

4.3. Выделение молекулярного кислорода………………………………………16

4.4. Молекулярные основы преобразования и запасания энергии света при фотосинтезе…………………………………………………………………………..17

5. Зеленая электростанция…………………………………...…………………21 - 24

6. Фотосинтез и урожай………………………………………………...………25 - 26

7. Экология фотосинтеза…………………………………………………………….28

8. Список литературы……………………………………………………………...32

Комментарий ред. сайта: на наш взгляд, рассматривать (и искусственно воспроизводить) фотосинтез следует не в качестве источника энергии, а в качестве источника углеводов с нужным направлением вращения плоскости поляризации.

При этом следует обратить внимание на то обстоятельство, что фотосинтез может рассматриваться как пример концентрации энергии – 2 фотона на 1 акт реакции, что есть смысл использовать и в системах синтеза вещества из излучения

Экологические проблемы энергетики

Экология энергетики - это та отрасль производства, которая развивается невиданно быстрыми темпами. Если численность населения в условиях современного демографического взрыва удваивается за 40-50 лет, то в производстве и потреблении энергии это происходит через каждые 12 -15 лет. При таком соотношении темпов роста населения и энергетики, энерговооруженность лавинообразно увеличивается не только в суммарном выражении, но и в расчете на душу населения.

Нет основания, ожидать, что темпы производства и потребления энергии в ближайшей перспективе существенно изменятся (некоторое замедление их в промышленно развитых странах компенсируется ростом энерговооруженности стран третьего мира), поэтому важно получить ответы на следующие вопросы:

Какое влияние на биосферу и отдельные ее элементы оказывают основные виды современной (тепловой, водной, атомной) энергетики и как будетизменяться соотношение этих видов в энергетическом балансе вближайшей и отдаленной перспективе;

Можно ли уменьшить отрицательное воздействие на среду современных (традиционных) методов получения и использования энергии;

Каковы возможности производства энергии за счет альтернативных (нетрадиционных) ресурсов, таких как энергия солнца, ветра, термальных вод и других источников, которые относятся к неисчерпаемым и экологически чистым.

В настоящее время энергетические потребности обеспечиваются в основном за счет трех видов энергоресурсов: органического топлива, воды и атомного ядра. Энергия воды и атомная энергия используются человеком после превращения ее в электрическую энергию. В то же время значительное количество энергии, заключенной в органическом топливе, используется в виде тепловой и только часть ее превращается в электрическую. Однако и в том и в другом случае высвобождение энергии из органического топлива связано с его сжиганием, следовательно, и с поступлением продуктов горения в окружающую среду.

1.1. Экологические проблемы тепловой энергетики

Сжигание топлива - не только основной источник энергии, но и важнейший поставщик в среду загрязняющих веществ. Тепловые электростанции в наибольшей степени «ответственны» за усиливающийся парниковый эффект и выпадение кислотных осадков. Они, вместе с транспортом, поставляют в атмосферу основную долю техногенного углерода (в основном в виде СО 2 ), около 50% двуокиси серы, 35% - окислов азота и около 35% пыли. Имеются данные, что тепловые электростанции в 2 - 4 раза сильнее загрязняют среду радиоактивными веществами, чем АЭС такой же мощности.

1.2. Проблемы экологии в ядерной энергетике.

Атомная энергетика даёт 17 - 18% электроэнергии. Современная атомная энергетика базируется на расщеплении ядер атомов на два более лёгких, с выделением энергии пропорционально потере массы. Источником энергии и продуктами распада при этом являются радиоактивные элементы. С ними связаны основные экологические проблемы ядерной энергетики. Основные экологические проблемы ядерной энергетики до недавнего времени связывались с захоронением отработанного топлива, а также с ликвидацией самих АЭС после окончания допустимых сроков эксплуатации. Имеются данные, что стоимость таких ликвидационных работ составляет от 1/6 до 1/3 от стоимости самих АЭС.

Некоторые параметры воздействия АЭС и ТЭС на среду представлены в табл.1. Сравнение АЭС и ТЭС по расходу топлива и воздействию на среду.

Мощность электростанций по 1000 МВт, работа в течение года (Б. Небел, 1993г)

Факторы воздействия на среду	ТЭС
	3,5 млн. т угля	1,5 т урана или 1000 т урановой руды
Углекислый газ
Сернистый ангидрид и другие соединения

Радиоактивные

табл. 1

При нормальной работе АЭС выбросы радиоактивных элементов в среду крайне незначительны. В среднем они в 2 - 4 раза меньше, чем от ТЭС одинаковой мощности.

В целом можно назвать следующие воздействия АЭС на среду:

Разрушение экосистем и их элементов (почв, грунтов, водоносных структур и т. п.) в местах добычи руд (особенно при открытом способе);

Изъятие земель под строительство самих АЭС. Особенно значительные территории отчуждаются под строительство сооружений для подачи, отвода и охлаждения подогретых вод. Для электростанции мощностью 1000 МВт требуется пруд-охладитель площадью около 800 - 900 га. Пруды могут заменяться гигантскими градирнями с диаметром у основания 100- 120 м и высотой, равной 40-этажному зданию;

Изъятие значительных объемов вод из различных источников и сброс подогретых вод. Если эти воды попадают в реки и другие источники, в них наблюдается потеря кислорода, увеличивается вероятность цветения, возрастают явления теплового стресса у гидробионтов;

Не исключено радиоактивное загрязнение атмосферы, вод и почв в процессе добычи и транспортировки сырья, а также при работе АЭС, складировании и переработке отходов, их захоронениях.

1.3. Экологические проблемы гидроэнергетики

В мировом масштабе гидроресурсы обеспечивают получение около 5 -6% электроэнергии.

Одно из важнейших воздействий гидроэнергетики связано с отчуждением значительных площадей плодородных (пойменных) земель под водохранилища. В конечном счете, перекрытые водохранилищами речные системы из транзитных превращаются в транзитноаккумулятивные. Кроме биогенных веществ, здесь аккумулируются тяжелые металлы, радиоактивные элементы и многие ядохимикаты с длительным периодом жизни. Продукты аккумуляции делают проблематичным возможность использования территорий, занимаемых водохранилищами, после их ликвидации. Имеются данные, что в результате заиления равнинные водохранилища теряют свою ценность как энергетические объекты через 50-100 лет после их строительства.

1.4. Некоторые пути решения проблем современной энергетики

1. Использование и совершенствование очистных устройств.

2. Уменьшение поступления соединений серы в атмосферу посредством предварительного обессеривания (десульфурации) углей и других видов топлива (нефть, газ, горючие сланцы) химическими или физическими методами.

3. Большие и реальные возможности уменьшения или стабилизации поступления загрязнений в среду связаны с экономией электроэнергии.

4. Не менее значимы возможности экономии энергии в быту и на производстве за счет совершенствования изоляционных свойств зданий.

5. Заметно повышается также КПД топлива при его использовании вместо ТЭС на ТЭЦ.

Альтернативные источники получения энергии

Основные современные источники получения энергии (особенно ископаемое топливо) можно рассматривать в качестве средства решения энергетических проблем на ближайшую перспективу. Это связано с их исчерпанием и неизбежным загрязнением среды. В этой связи важно познакомиться с возможностями использования новых источников энергии, которые позволили бы заменить существующие. К таким источникам относится энергия солнца, ветра, вод, термоядерного синтеза и других источников.

2.1. Ветер как источник энергии

Интерес к использованию ветра для получения электроэнергии оживился в последние годы. К настоящему времени испытаны ветродвигатели различной мощности, вплоть до гигантских. Сделаны выводы, что в районах с интенсивным движением воздуха ветроустановки вполне могут обеспечивать энергией местные потребности. Оправдано использование ветротурбин для обслуживания отдельных объектов (жилых домов, неэнергоемких производств и т. п.). Вместе с тем стало очевидным, что гигантские ветроустановки пока не оправдывают себя вследствие дороговизны сооружений, сильных вибраций, шумов, быстрого выхода из строя. Более экономичны комплексы из небольших ветротурбин, объединяемых в одну систему.

2.2. Возможности использования нетрадиционных гидроресурсов

Имеются расчеты, что на мелких и средних реках можно получать не меньше энергии, чем ее получают на современных крупных ГЭС. В настоящее время имеются турбины, позволяющие получать энергию, используя естественное течение рек, без строительства, плотин. Такие турбины легко монтируются на реках и при необходимости перемещаются в другие места. Хотя стоимость получаемой на таких установках энергии заметно выше, чем на крупных ГЭС, ТЭС или АЭС, но высокая экологичность делает целесообразным ее получение.

2.3. Энергетические ресурсы морских, океанических и термальных вод

Большими энергетическими ресурсами обладают водные массы морей и океанов. К ним относится энергия приливов и отливов, морских течений, а также градиентов температур на различных глубинах. В настоящее время эта энергия используется в крайне незначительном количестве из-за высокой стоимости получения. Это, однако, не означает, что и в дальнейшем ее доля в энергобалансе не будет повышаться.

В мире пока действуют две-три приливно-отливные электростанции. Однако, кроме высокой стоимости энергии, электростанции такого типа нельзя отнести к высокоэкологичным. При их строительстве плотинами перекрываются заливы, что резко изменяет экологические факторы и условия обитания организмов.

В океанических водах для получения энергии можно использовать разности температур на различных глубинах. В теплых течениях, например в Гольфстриме, они достигают 20°С.

Несравнимо более реальны возможности использования геотермальных ресурсов. В данном случае источником тепла являются разогретые воды, содержащиеся в недрах земли. В отдельных районах такие воды изливаются на поверхность в виде гейзеров. Геотермальная энергия может использоваться как в виде тепловой, так и для получения электричества.

Ведутся также опыты по использованию тепла, содержащегося в твердых структурах земной коры. Такое тепло из недр извлекается посредством закачки воды, которую затем используют так же, как и другие термальные воды.

2.4. Солнце как источник тепловой и электрической энергии

Это практически неисчерпаемый источник энергии. Ее можно использовать прямо (посредством улавливания техническими устройствами) или опосредствованно через продукты фотосинтеза, круговорот воды, движение воздушных масс и другие процессы, которые обусловливаются солнечными явлениями.

Использование солнечного тепла - наиболее простой и дешевый путь решения отдельных энергетических проблем.

Преобразование солнечной энергии в электрическую возможно посредством использования фотоэлементов, в которых солнечная энергия индуцируется в электрический ток безо всяких дополнительных устройств. Хотя КПД таких устройств невелик, но они выгодны медленной изнашиваемостью вследствие отсутствия каких-либо подвижных частей.

В странах с большим количеством солнечной радиации имеются проекты полной электрификации отдельных отраслей хозяйства, например сельского, за счет солнечной энергии. Получаемая таким путем энергия, особенно с учетом ее высокой экологичности, по стоимости оказывается более выгодной, чем энергия, получаемая традиционными методами.

2.5. Использование солнечной энергии через фотосинтез и биомассу

В биомассе концентрируется ежегодно меньше 1% потока солнечной энергии. Однако эта энергия существенно превышает ту, которую получает человек из различных источников в настоящее время и будет получать в будущем.

В целом же биотопливо можно рассматривать как существенный фактор решения энергетических проблем если не в настоящее время, то в будущем. Основное преимущество этого ресурса - его постоянная и быстрая возобновимость, а при грамотном использовании и неистощимость.

2.6. Заключение

В заключение можно сделать вывод, что современный уровень знаний, а также имеющиеся и находящиеся в стадии разработок технологии дают основание для оптимистических прогнозов: человечеству не грозит тупиковая ситуация ни в отношении исчерпания энергетических ресурсов, ни в плане порождаемых энергетикой экологических проблем. Есть реальные возможности для перехода на альтернативные источники энергии (неисчерпаемые и экологически чистые).

С этих позиций современные методы получения энергии можно рассматривать как своего рода переходные. Вопрос заключается в том, какова продолжительность этого переходного периода и какие имеются возможности для его сокращения.

3. История фотосинтеза.

История фотосинтеза связана со многими известными учеными, которые внесли огромный вклад в развитие науки.

Ван – Гельмонт решил узнать, благодаря чему растет растение. Чтобы ответить на этот вопрос, он проделал следующее. Взял кадку, в которую насыпал 91 килограмм высушенной в печи почвы, смочил ее дождевой водой и посадил ивовый побег массой 2,25 килограмма. Каждый день в течение пяти лет он поливал растение чистой дождевой водой. По прошествии этого времени Ван-Гельмонт извлек деревце, тщательно очистил корни от прилипших частиц почвы и взвесил содержимое кадки и растение. Оказалось, что масса почвы уменьшилась всего на 57 граммов, а вот масса ивы возросла почти на 75 килограммов. Результат эксперимента исследователь объяснил исключительно поглощением воды. Так возникла водная теория питания растений.

Джозеф Пристли (1733- 1804) - известный английский ученый-химик, открыл кислород, получил хлористый водород, аммиак, фтористый кремний, сернистый газ, оксид углерода. Химика Пристли заинтересовал вопрос: почему воздух полей и лесов чище городского? Ученый предположил, что растения очищают его от веществ, выделяемых людьми при дыхании, а также дымящимися трубами заводов и фабрик. С целью проверки своего предположения он посадил под стеклянный колпак мышь.

Довольно быстро животное погибло. Тогда экспериментатор поместил под такой же колпак другую мышь, но уже вместе с веткой мяты. «Это было сделано в начале августа 1771 года. Через восемь-девять дней я нашел, что мышь прекрасно могла жить в той части воздуха, в которой росла ветка мяты. Побег мяты вырос почти на три дюйма...» .

Голландский врач Ингенгауз (1730-1799) усомнился в правильности такого эксперимента и с целью проверки провел ряд опытов. В результате своих опытов он сделал открытие, что только зеленые части растений могут улучшать воздух, да и то лишь в том случае, когда они находятся на свету. Все остальное - цветки, корни, а также зеленые листья, лишенные света, - воздуха не исправляет.

Можно проделать следующий опыт. Возьмем две банки с водой. В одну нальем воду из - под крана, а в другую - кипяченую и охлажденную. При кипячении, как известно, удаляются газы, растворенные в воде. Затем в каждую банку поместим веточки водного растения элодеи, накроем их воронками, на отростки которых наденем пробирки, наполненные водой. Обе банки выставим на свет.

Через некоторое время мы заметим, что в банке с не кипяченой водой

веточки элодеи начинают выделять какой-то газ. Когда он заполнит пробирку, можно установить, что это кислород: внесенная в пробирку тлеющая лучинка ярко вспыхивает. В банке с кипяченой водой, где нет углекислого газа, веточки элодеи кислорода не выделяют.

Попробуем доказать, что все дело именно в углекислом, а не в каком-то

ином газе, удаленном при кипячении. Для этого пропустим через кипяченую воду углекислый газ, и вскоре веточки элодеи станут выделять кислород.

Никола Теодор Соссюр (1767-1845) работал в области физики, химии и геологии. Однако мировую известность приобрел благодаря трудам в области физиологии растений. С помощью точных методов количественного химического анализа он убедительно доказал, что растения на свету усваивают углерод из углекислого газа, выделяя при этом кислород. Ученый также установил, что растения, как и животные, дышат, поглощая кислород и выделяя углекислый газ.

Так постепенно складывались представления о фотосинтезе как о процессе, в ходе которого из углекислого газа и воды зеленые растения на свету образуют органические вещества и выделяют кислород:

6СО 2 + 6Н 2 О С 6 Н 12 О 6 + 6О 2

Самое интересное из веществ во всем органическом мире. Так назвал хлорофилл великий Чарльз Дарвин, когда наш соотечественник Климент Аркадьевич Тимирязев рассказал ему о своих опытах с этим веществом.

Познакомимся с некоторыми свойствами этого пигмента. Если поместить за пробиркой черную бумагу или какой-то темный предмет и направить на нее яркий свет. Раствор хлорофилла отражает свет с измененной длиной волны, поэтому хлорофилл приобретает вишнево-красную окраску. Это явление носит название флуоресценции.

В чем причина флуоресценции хлорофилла? Кванты света падают на его молекулы, находящиеся в растворе, и вызывают их возбуждение. При этом электрон молекулы пигмента переходит на более высокий энергетический уровень. В растворе, в отличие от зеленого листа, энергия возбужденного электрона не расходуется на синтез органических веществ, поэтому этот электрон возвращается на прежний энергетический уровень, а избыток энергии испускается в виде квантов красного света. Видимый свет, как известно, состоит из разных лучей: фиолетовых, синих, голубых, зеленых,

желтых, оранжевых, красных. Их окраска зависит от длины волны, которая увеличивается по направлению от синих к красным лучам солнечного спектра.

Величина квантов и их энергетический потенциал изменяются при этом в противоположном направлении: кванты синих лучей значительно богаче энергией, чем кванты красных. Когда свет падает на молекулы хлорофилла, часть энергии квантов рассеивается в виде тепла, поэтому отраженные кванты несут меньший запас энергии, а длина волны света увеличивается, смещаясь в сторону длины волны красных лучей. Вот почему мы видим красное свечение при освещении хлорофилла белым светом, то есть совокупностью разных лучей солнечного спектра.

Отчего зависит зеленая окраска пигмента? Если добавить в пробирку с вытяжкой хлорофилла несколько капель слабой соляной кислоты. Тотчас же окраска изменится на оливково-бурую. Что при этом произошло с хлорофиллом?

Уже давно установлено, что его молекула содержит атом магния. При взаимодействии с соляной кислотой он вытесняется из нее атомами водорода соляной кислоты. Можно предположить, что наличие атома магния и определяет зеленую окраску пигмента.

В ту же пробирку можно добавить небольшое количество ацетата меди или ацетата цинка и подогреть содержимое пробирки на спиртовке. Едва жидкость закипит, окраска раствора резко изменится - вместо оливково-бурой она вновь станет изумрудно-зеленой. Что же при этом произошло? В молекуле хлорофилла на место атома магния при взаимодействии с соляной кислотой встал водород.

В свою очередь, атомы водорода при добавлении ацетата меди или ацетата цинка и нагревании вытесняются атомами меди или цинка. Происходит восстановление металлоорганической связи. Следовательно, зеленая окраска хлорофилла определяется наличием в нем атома металла вне зависимости от того, будет ли это магний, медь или цинк.

3.1. Скорость фотосинтеза.

Если солнечный спектр, который мы наблюдаем в спектроскопе, спроектировать на экран, то можно изучать скорость фотосинтеза в разных лучах - синих, желтых, зеленых, красных.

Впервые интенсивность фотосинтеза в различных лучах спектра исследовал физик В. Добени . В 1836 году он сделал очень важное открытие: зеленый лист может осуществлять фотосинтез в отдельных лучах спектра, причем в зависимости от характера лучей он идет с неодинаковой скоростью. Но вот на вопрос, в каких именно лучах спектра фотосинтез протекает наиболее интенсивно, В. Добени ответил неправильно. И виной тому методические погрешности при проведении эксперимента. К.А.Тимирязев с помощью аппаратуры, которую создал химик Пьер Эжен Марсель Вертело, убедительно показал, что наиболее активно фотосинтез идет в красных лучах спектра, которые, как уже отмечалось, интенсивнее других поглощаются хлорофиллом. По направлению к зеленой части спектра интенсивность фотосинтеза ослабевает. В зеленых лучах она минимальная. В сине-фиолетовой части наблюдается новый подъем интенсивности фотосинтеза. Таким образом, Тимирязев установил, что максимум усвоения листом углекислого газа совпадает с максимумом поглощения света хлорофиллом. Иными словами, он впервые экспериментально доказал, что закон сохранения энергии справедлив и по отношению к фотосинтезу. Зеленый цвет растений отнюдь не случаен. В процессе эволюции они приспособились к поглощению именно тех лучей солнечного спектра, энергия которых наиболее полно используется в ходе фотосинтеза.

Современная наука подтвердила правильность взглядов К. А. Тимирязева относительно исключительной важности для фотосинтеза именно красных лучей солнечного спектра. Оказалось, что коэффициент использования красного света в ходе фотосинтеза выше, чем синих лучей, которые также поглощаются хлорофиллом.

3.2. Опыт с мечеными атомами.

Американский ученый Мэлвин Кальвин для изучения темновых реакций фотосинтеза, связанных с фиксацией и превращением углекислого газа, широко использовал метод меченых атомов.

М. Кальвин избрал в качестве объекта исследования зеленую водоросль - хлореллу. После кратковременного освещения в присутствии радиоактивного углекислого газа ее быстро убивали (фиксировали) горячим спиртом, чтобы приостановить протекающие в ней реакции. Затем спиртовую вытяжку концентрировали, разделяли на хроматограмме и проводили анализ на содержание различных радиоактивных соединений.

Достаточно пяти секунд пребывания в атмосфере углекислого газа, чтобы меченый углерод этого соединения оказывался в трехуглеродном органическом веществе под названием фосфоглицериновая кислота. Как оно образовалось?

Кальвин предположил, что углекислый газ присоединяется к некоему пятиуглеродному соединению. В результате возникает шестиуглеродное соединение, которое по причине своей нестойкости на хроматограммах не обнаруживается. Оно, едва возникнув, тотчас же распадается на две молекулы фосфоглицериновой кислоты.

Предположение М. Кальвина подтвердилось - углекислый газ действительно присоединяется к пятиуглеродному веществу под названием рибулезодифосфат.

Работы М Кальвина по выяснению сущности темповых реакций фотосинтеза - крупнейшее достижение современной физиологии растений. В 1961 году он был удостоен Нобелевской премии.

Что такое фотосинтез?

Фотосинтез - это превращение зелеными растениями и фотосинтезирующими микроорганизмами лучистой энергии солнца в энергию химических связей органических веществ.

Фотосинтез происходит с участием поглощающих свет пигментов. Фотосинтез – единственный биологический процесс, который идет с увеличением свободной энергии и прямо или косвенно обеспечивает доступной химической энергии все земные организмы (кроме хемосинтезирующих). Ежегодно в результате фотосинтеза на Земле образуется около 150 млрд.т органического вещества, усваивается 300 млрд.т СО 2 и выделяется около 200 млрд.т свободного О 2 . Благодаря фотосинтетической деятельности первых зеленых организмов в первичной атмосфере Земли, появился кислород, возник озоновый экран, создались условия для биологической эволюции.

Фотосинтез, уникальный физико-химический процесс, осуществляемый на Земле всеми зелеными растениями и некоторыми бактериями и обеспечивающий преобразование электромагнитной энергии солнечных лучей в энергию химических связей различных органических соединений. Основа фотосинтеза - последовательная цепь окислительно-восстановительных реакций, в ходе которых осуществляется перенос электронов от донора-восстановителя к акцептору – окислителю с образованием восстановительных соединений (углеводов) и выделением О 2 , если окисляется вода.

Фотосинтез играет ведущую роль в биосферных процессах, приводя в глобальных масштабах к образованию органического вещества из неорганического. Фотосинтезирующие организмы, используя солнечную энергию в реакциях фотосинтеза, осуществляют связь жизни на Земле со Вселенной и определяют в конечном итоге всю ее сложность и разнообразие. Человечество все более осознает очевидную истину, впервые научно обосновано К.А. Тимирязевым и В.И. Вернадским: «Экологическое благополучие биосферы и существование самого человечества зависит от состояния растительного покрова нашей планеты».

Как известно, фотосинтез растений заключается в преобразовании и запасании солнечной энергии, в результате которого из простых веществ - угле кислоты и воды - синтезируются углеводы, и выде ляется молекулярный кислород. В общем виде этот процесс можно описать следующим уравнением .

Фотосинтез

Фотоокисление воды

Свет!

Н 2 О + СО 2 ---» О 2 + ± (С 6 Н 12 О 6 ) (+ 114 ккал/моль)

I Растения i

Ассимиляция (восстановление) С0 2 Дыхание

Уравнение фотосинтеза кислородвыделяющих фотосинтезирующих организмов.

Несмотря на кажущуюся простоту фотосинтеза, на Земле, пожалуй, нет более удивительного про цесса, который смог бы в такой степени преобразовать нашу планету.

4.1. ЗАПАСАНИЕ ЭНЕРГИИ

Как следует из уравнения, на каждый ас симилированный в процессе фотосинтеза моль уг лекислоты запасается 114 ккал энергии. В чем же состоит достоинство запасания солнечной энергии растениями по сравнению с неорганизованной ("нефотосинтезирующей") системой? Любое ве щество, поглощая квант солнечной энергии, переходит в возбужденное состояние, что уже можно рассматривать как преобразование энергии электромагнитного излучения и ее запасание. Однако энергия электронного возбуждения очень быстро растрачивается на тепло или же вновь излучается в пространство, следовательно, в ви де возбужденных состояний энергия света может быть запасена лишь на незначительные доли секун ды. В результате же фотосинтеза энергия поглощенного кванта света, запасается надолго: от минут и часов до сотен и даже миллионов лет (как это имело место, например, при образовании горючих ископаемых - нефти, природного газа, каменного угля, торфа в результате разложения наземных и морских расте ний или животных). Но этим, конечно, не исчерпы вается специфика фотосинтеза в использовании солнечной энергии. Так, формирование горных ледников и озер тоже происходит за счет энергии Солнца, идущей на испарение воды, и при этом то же происходит запасание солнечной энергии на длительное время.

В связи с этим говорят об еще од ном преимуществе фотосинтеза: запасание солнеч ной энергии происходит в очень удобной для биоло гического использования форме - молекулярной, в виде богатых энергией связей, в основном в сахарах и их производных, а также в аминокислотах, белках, жирах, которые в любой необходимый момент мо гут быть использованы растениями или "съевши ми" их нефотосинтезирующими (гетеротрофными) организмами для покрытия своих энергетических потребностей, для биосинтеза собственных высо комолекулярных соединений.

Масштабы фотосинтетического преобразова ния и запасания солнечной энергии огромны: каждый год за счет фотосинтеза на Земле образуется около 200 млрд. т биомассы, что эквивалентно энергии, равной 3*10 21 Дж или 7,2*10²° кал. При этом необходимо иметь в виду, что фотосинтез - единственный биологический процесс, протекаю щий с запасанием свободной энер гии. Все остальные процессы, как в растениях, так и в животных, проходят за счет химической энергии, накапливаемой в фотосинтезирующих организмах в результате преобразования поглощенного солнеч ного света. Следовательно, практически вся живая материя на Земле представляет собой прямой или отдаленный результат фотосинтетической деятель ности растений, которые являются посредниками между неиссякаемым источником энергии - Солн цем и всем живым миром нашей планеты.

4.2. АССИМИЛЯЦИЯ ДВУОКИСИ УГЛЕРОДА

Ежегодная ассимиляция углекислого газа на Земле в результате фотосинтеза составляет около 260 млрд. т, что эквивалентно 7,8*10 10 тонн уг лерода, и это связывание углерода компенсируется выделением практически такого же количества С0 2 в результате дыхания нефотосинтезирующих орга низмов. В мировом океане содержится в 60 раз больше углерода, чем в атмосфере (3,5*10 13 тонн), что связано с очень высокой растворимостью С0 2 в воде и образованием Н 2 С0 3. В верхних слоях океана, содержащих лишь 1,5% всего углерода, растворен ного в воде, обмен углерода с атмосферой осуще ствляется достаточно быстро (за 6 - 7 лет), тогда как для установления такого равновесия с глубинными слоями океана требуется несколько тысячелетий. Вследствие этого сжигание ископаемого топлива в промышленном масштабе привело к увеличению содержания С0 2 в атмосфере с 0,027% (в доиндуст риальную эпоху) до 0,034% в настоящее время. Расчеты показывают, что к 2035 году содержание угле кислого газа в атмосфере удвоится, то есть будет составлять около 0,06%. Основным последствием этого, как считается, будет глобальное потепление климата, обусловленное так называемым "теплич ным эффектом", связанным с тем, что углекислый газ "прозрачен" для основной части солнечного света, но задерживает (поглощает) тепловое (инфракрасное) излучение от нагретой Солнцем по верхности Земли.

Увеличение концентрации С0 2 в атмосфере в два раза может привести к повышению температуры поверхности Земли на 2 - 3°С, причем оно будет минимальным в тропической зоне и мак симальным в высоких широтах (8 - 11°С). Такое повышение температуры вызовет таяние льдов, особенно в Антарктиде, что может привести к повышению уровня моря на 5 м и затоплению значи тельной части суши. Поэтому возможность гло бального потепления климата становится сейчас проблемой всего человечества. Согласно Междуна родной конвенции, принятой в 1992 году, развитые индустриальные страны будут проводить политику ограничения промышленного выброса С0 2 в атмо сферу, а также защиты и увеличения стоков и резер вуаров С0 2 , то есть растительности. Обсуждается даже вопрос о том, что страны с повышенным вы бросом С0 2 должны платить компенсацию странам, где потребление С0 2 превышает его продукцию.

В этой связи необходимо отметить, что, согласно оценкам, проведенным российскими учеными, Россию, наряду с северными территориями Канады, можно отнести к странам с увеличенным потреблением С0 2 , что связано главным образом с "отстава нием" минерализации органического вещества от фотосинтетической ассимиляции С0 2 в условиях переувлажненных почв на фоне невысоких темпе ратур в северных областях нашей страны.

Интересно отметить мнение академика А.Л. Яншина о том, что для России, более 50% территории которой расположено в зоне вечной мерзлоты, повышение кон центрации С0 2 и связанное с ним потепление кли мата выгодно. При этом следует также учитывать, что двукратное повышение содержания С0 2 в атмо сфере приведет к 60%-ному повышению скорости фотосинтеза на Земле.

4.3. Выделение молекулярного кислорода

Приобретенная в процессе эволюции способность фотосинтезирующих растений к выделению молекулярного кислорода в результате окисления воды привела к поистине революционным преобразованиям на Земле, из которых необходимо отметить следующие:

1. Фотосинтезирующие организмы, а через их посредство и вся живая природа, получили доступ к практически неиссякаемому и возобновляемому источнику электронов, участвующих во всех биоэнергетических процессах, - воде, что, естествен но, привело к резкому возрастанию масштабов фо-
тосинтеза и поступления энергии в биосферу.

2. Продукт фотосинтетического окисления воды - молекулярный кислород, содержание которого в атмосфере возросло в результате фотосинтеза прак тически от нуля в древней атмосфере до 21% в настоящее время, вызвал значительные изменения во всей живой природе. Появление в атмосфере сво бодного 0 2 привело к массовой гибели существовавших тогда организмов, для которых такой сильный окислитель как кислород оказался сильнейшим ядом, поскольку он резко нарушал протекание биоэнергетических процессов. В то же время в резуль тате длительной эволюции на фоне возрастающей концентрации 0 2 в атмосфере появились новые, аэробные организмы, обратившие наличие 0 2 себе на пользу. Они сумели включить его в свой метаболизм в качестве эффективного конечного акцептора эле ктронов в дыхательной цепи. Это позволило поднять биоэнергетику на новый, значительно более высокий уровень, так как в этом случае происходит более эффективное "сжигание" органики. Фотосинтетическое образование 0 2 , сопровож дающееся поглощением С0 2 , в сочетании с появив шейся возможностью аэробного дыхания, при кото ром происходит обратный процесс - потребление 0 2 , сопровождающееся освобождением С0 2 , привело к образованию замкнутых циклов 0 2 и С0 2 , имеющих глобальные масштабы. Сочетание этих циклов позволяет восполнять содержание как С0 2 , так и 0 2 , а их участие в едином цикле "фотосинтез - дыхание" обеспечивает постоянное поступление энергии в биосферу.

3. Появление кислородвыделяющих организмов привело к тому, что практически все процессы на поверхности Земли приняли биогеохимический ха рактер . Сам процесс фотосинтеза, сопровождающийся образованием и запасанием органического вещества, привел к зна чительному, более чем в 100 раз, уменьшению со держания С0 2 в атмосфере.

В результате первичная разреженная атмосфера превратилась во вторичную плотную азотокисло родную оболочку Земли. Теперь солнечная и другие виды космической радиации, прежде чем достичь поверхности, должны были фильтроваться через мощный слой атмосферы. Кроме того, под действи ем фотохимического процесса в верхних слоях атмосферы двухатомный молекулярный кислород превращается в трехатомную молекулу озона, имею щего интенсивное поглощение в области жесткого ультрафиолета (0,2 - 0,3 мкм). В результате образовавшийся озоновый экран стал задерживать наибо лее опасную для живых организмов ультрафиолето вую радиацию.

Таким образом, фотосинтез, основанный на окислении воды, благодаря возможности использо вать воду в качестве субстрата стал мощным поставщиком энергии в биосферу, революционным обра зом обогатил биоэнергетику благодаря включению 0 2 в метаболизм живых организмов, защитил жи вую материю от гибельного действия космической радиации. Все это индуцировало мощное развитие биологической материи на Земле, приведшее в ко нечном счете к появлению человека. И в настоящее время фотосинтез лежит в основе биологического круговорота энергии и веществ на Земле, от масштабов которого зависит и жизнь на нашей плане те, и ее разнообразие и возможности.

4.4. МОЛЕКУЛЯРНЫЕ ОСНОВЫ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ И ЗАПАСАНИЯ ЭНЕРГИИ СВЕТА ПРИ ФОТОСИНТЕЗЕ

Живая природа настолько рационально решает проблемы эффективного улавливания солнечной энергии, ее преобразования и запасания в удобной для биологического потребления форме, что до сих пор не удается воспроизвести основные этапы фотосинтеза в искусственных системах. Первичное улавливание и преобразование энергии света при фотосинтезе происходит с непременным участием хлорофилла, что было выявлено уже в классических работах К.А. Тимирязева, показавшего, что именно та часть солнечного света, которая поглощается хлорофиллом, эффективно инициирует процесс фотосинтеза.

Молекула хлорофилла состоит из порфиринового ядра, образованного тетрапиррольным кольцом с расположенным в цент ре атомом магния, и фитольного хвоста. Хлорофилл относится к классу веществ, называемых пигмента ми, то есть сильноокрашенных соединений, характеризующихся интенсивным поглощением видимого света

Для выяснения молекулярных основ участия хлорофилла в первичных процессах преобразования солнечной энергии при фотосинтезе важнейшее значение имело открытие, сделанное нашим соотечественником, академиком А.А. Красновским, который показал, что при переходе в возбужденное состояние в результате поглощения кванта света молекула хлорофилла приобретает свойство всту пать в такие окислительно-восстановительные реакции, к которым она не была способна в темноте. При этом молекула хлорофилла (Хл) может потерять свой электрон, то есть окислиться, отдав его другому веществу, называемому в данном случае акцептором (А) электрона, тогда как хлорофилл выступает в данной реакции как донор электрона. Эта реакция получила название реакции Красновского.

ДХлА ДХл *А - ДХл + А- Д+ХлА-

В результате получается система с разделенны ми зарядами Д + ХлА- (элементарная электрическая батарейка), в которой может быть запасена значительная часть энергии кванта света, поглощенного хлорофиллом. Как показано в работах последних десятилетий, именно этот принцип - фоторазделе ния зарядов - лежит в основе первичного преобра зования энергии света при фотосинтезе. Где же и каким образом это происходит?

Как показано на рис. 1 хлорофилл, определяю щий зеленый цвет листа растения, распределен не по всей растительной клетке, а сосредоточен в пла стидах, называемых хлоропластами. В хлоропластах сосредоточен фотосинтетический аппарат, и их роль состоит в энергообеспечении клетки за счет поглощенного света. Хлоропласт имеет геном, ко торый делится при делении хлоропласта.

Несмотря на наличие собственного генома, обеспечивающего синтез большей части структур фотосинтетического аппарата, ряд строго необходимых для протека ния фотосинтеза компонентов (например, основ ные ферменты, участвующие в биосинтезе хлорофилла, некоторые белки, входящие в систему фотосинтетического окисления воды), кодируются в клеточном геноме. Хлоропласт заполнен так на зываемыми тилакоидами - замкнутыми сплющен ными "мешочками", которые состоят из двухслой ных липидных мембран, образованных в результате впячивания внутреннего слоя двухслойной мембра ны, ограничивающей весь хлоропласт от цитоплазмы. Тилакоиды сгруппированы в плотно упакованные темно-зеленые "стопки", получившие название гран, которые связаны между собой частью тилако идов. В мембраны тилакоидов погружены белки или белковые комплексы, большая часть которых насквозь пронизывает мембрану. Только часть из этих комплексов окрашена в зеленый цвет, то есть содержит хлорофилл; было установлено, что прак тически весь хлорофилл находится в хлорофилл-белковых комплексах, или, лучше сказать, в пигмент-белковых комплексах, поскольку все они на ряду с хлорофиллом содержат другие пигменты.

Пигмент-белковые комплексы можно разделить на две функциональные группы. Основная функ ция первой из них - "светособирающих" или "ан тенных" пигмент-белковых комплексов - состоит в эффективном улавливании энергии света. Более 90% всего хлорофилла сосредоточено именно в "ан тенных" комплексах. Большая их часть представляет собой белки с молекулярной массой от 20000 до 70000, на каждом из которых расположены 10 - 40 молекул хлорофилла.

Помимо основного пигмента - хлорофилла а - в состав этих комплексов входит его аналог - хлорофилл б, а также каротиноиды - пигменты желтого или оранжевого цвета (один из них, бета-каротин, определяет окраску моркови). Цианобактерии содержат также бесхлорофилльные пигмент-белковые комплексы - фикобилины, окра шенные в синий или красный цвет. Они эффективно поглощают свет в области спектра, где хлорофилл имеет слабое поглощение, что позволяет осуществить более эффективное улавливание сол нечной энергии.

Энергия возбуждения от светособирающих пиг ментов с очень высокой эффективностью (близкой к 100%) передается на хлорофилл другой группы пигмент-белковых комплексов - фотохимические реакционные центры. Их основная и важнейшая для всей биосферы функция состоит в том, чтобы преобразовать энергию электронного возбуждения хлорофилла в энергию разделенных зарядов, подобно тому, как это происходит в реакции Красновского, описан ной выше.

У кислородвыделяющих организмов имеется два типа реакционных центров, функционирующих в так называемых фотосистеме 1 (ФС-1) и фотосис теме 2 (ФС-2) рис. 2. Аналоги каждого из этих реакционных центров обнаружены у ряда фотосинте зирующих бактерий, и молекулярная структура одного из них, выделенного из пурпурной бактерии, впервые была установле на с помощью рентгеноструктурного анализа. Не обходимо отметить, что значительная часть знаний о структурной и функциональной организации фо тосинтетических реакционных центров получена при помощи изучения именно бактериальных реак ционных центров. Они отличаются высокой ста бильностью в изолированном из мембраны состоя нии, и именно из них удалось впервые получить кристаллы, использование которых в рентгеноструктурных исследованиях позволило получить данные о молекулярной структуре реакционного центра. За эту работу группа немецких исследователей в 1988 году получила Нобелевскую премию.

В заключение необходимо отметить, что исследование фотосинтеза - сложнейшего фундаментального биологического процесса, имеющее давние традиции в отечественной науке, привлекает в настоящее время внимание все большего числа естествоиспытателей - биологов, физиков, химиков, математиков. Познание молекулярных механизмов фотосинтеза будет иметь большое значение для обеспечения человечества экологически чистой энергией за счет практически неиссякаемого источника - солнечного излучения (например, на основе фоторазложения воды на молекулярной водород и кислород), для повышения фотосинтетической продуктивности растений, лежащей в основе обеспечения человечества пищей, для использования принципов фотопреобразования световой энергии при фотосинтезе в фотобиотехнологических и фотобиотехнических системах, для обеспечения длительных космических экспедиций органикой и молекулярным кислородом, для решения проблем экологической безопасности отдельных регионов, для сохранения и развития биосферы.

Зеленая электростанция

Существует еще один путь использования человеком солнечной энергии, усвоенной растениями, - непосредственная трансформация световой энергии в электрическую.

Именно способность хлорофилла под действием света отдавать и присоединять электроны лежит в основе работы генераторов, содержащих хлорофилл.

М. Кальвин в 1972 году выдвинул идею создания фотоэлемента, в котором в качестве источника электрического тока служил бы хлорофилл, способный при освещении отнимать электроны от каких-то определенных веществ и передавать их другим. Кальвин использовал в качестве проводника, контактирующего с хлорофиллом, оксид цинка. При освещении этой системы в ней возникал электрический ток плотностью 0,1 микроампера на квадратный сантиметр. Этот фотоэлемент функционировал сравнительно недолго, поскольку хлорофилл быстро терял способность отдавать электроны.

Для продления времени действия фотоэлемента был использован дополнительный источник электронов - гидрохинон. В новой системе зеленый пигмент отдавал не только свои, но и электроны гидрохинона. Расчеты показывают, что такой фотоэлемент площадью 10 квадратных метров может обладать мощностью около киловатта.

Японский профессор Фудзио Такахаси для получения электроэнергии

использовал хлорофилл, извлеченный из листьев шпината. Транзисторный приемник, к которому была присоединена солнечная батарейка, успешно работал. Кроме того, в Японии проводятся исследования по преобразованию солнечной энергии в электрическую с помощью цианобактерий, выращенных в питательной среде. Тонким слоем их наносят на прозрачный электрод из оксида цинка и вместе с противоэлектродом погружают в буферный раствор. Если теперь бактерии осветить, то в цепи возникнет электрический ток.

В 1973 году американцы У. Стокениус и Д. Остерхельт описали необычный белок из мембран фиолетовых бактерий, обитающих в соленых озерах Калифорнийских пустынь. Его назвали бактериородопсином. Это вещество представляет собой белок, соединенный с каротиноидом ретиналем, состоящим из 20 углеродных атомов. Он похож на родопсин - пигмент сетчатки глаза позвоночных животных, что и определило его название. Белковая часть родопсина представлена полипептидной цепью умеренной длины, состоящей из 248 аминокислотных остатков, последовательность расположения которых в молекуле выяснена учеными.

Большой вклад в исследование структуры бактериородопсина внесли советские ученые, работавшие под руководством академика Ю.А. Овчинникова.

В конце 1973 года в АН СССР был разработан проект сравнительного изучения животного и бактериального пигментов, получивший название «Родопсин». В 1978 году журнал «Биоорганическая химия» опубликовал статью, в которой излагалась последовательность расположения аминокислот в молекуле бактериородопсина. Лишь через год подобная работа была завершена в США под руководством известного биохимика Г. Кораны .

Любопытно отметить, что бактериородопсин появляется в мембранах

галобактерий при недостатке кислорода. Дефицит же кислорода в водоемах возникает в случае интенсивного развития галобактерий. С помощью бактериородопсина бактерии усваивают энергию Солнца, компенсируя тем самым возникший в результате прекращения дыхания дефицит энергии.

Бактериородопсин можно выделить из галобактерий, поместив эти

соелюбивые создания, прекрасно чувствующие себя в насыщенном растворе

поваренной соли, в воду. Тотчас же они переполняются водой и лопаются, при

этом их содержимое смешивается с окружающей средой. И только мембраны, содержащие бактериородопсин, не разрушаются из-за прочной «упаковки» молекул пигмента, которые образуют белковые кристаллы (еще не зная структуры, ученые назвали их фиолетовыми бляшками). В них молекулы бактериородопсина объединены в триады, а триады - в правильные шестиугольники.

Поскольку бляшки значительно крупнее всех других компонентов

галобактерий, их нетрудно выделить путем центрифугирования. После промывки центрифугата получается пастообразная масса фиолетового цвета. На 75 % она состоит из бактериородопсина и на 25 - из фосфолипидов, заполняющих промежутки между белковыми молекулами. Фосфолипиды - это молекулы жиров в соединении с остатками фосфорной кислоты. Другие вещества в центрифугате отсутствуют, что создает благоприятные условия для экспериментирования с бактериородопсином. К тому же это сложное соединение очень устойчиво к факторам внешней среды. Оно не утрачивает активности при нагревании до 100°С и может храниться в холодильнике годами. Бактериородопсин устойчив к кислотам и различным окислителям.

Причина его высокой устойчивости обусловлена тем, что эти гало-бактерии обитают в чрезвычайно суровых условиях - в насыщенных солевых растворах, какими, по существу, являются воды некоторых озер в зоне выжженных тропическим зноем пустынь. В такой чрезвычайно соленой, да к тому же еще и перегретой, среде организмы, обладающие обычными мембранами, существовать не могут. Это обстоятельство представляет большой интерес в связи с возможностью использования бактериородопсина в качестве трансформатора световой энергии в электрическую.

Если выпавший в осадок под воздействием ионов кальция бактериородопсин осветить, то с помощью вольтметра можно обнаружить наличие электрического потенциала на мембранах. Если выключить свет, он исчезает. Таким образом, ученые доказали, что бактериородопсин может функционировать как генератор электрического тока.

В лаборатории известного советского ученого, специалиста в области

биоэнергетики В. П. Скулачева тщательно исследовались процесс встраивания

бактериородопсина в плоскую мембрану и условия функционирования его в

качестве светозависимого генератора электрического тока.

Позднее в этой же лаборатории были созданы электрические элементы, в которых использовались белковые генераторы электрического тока. В этих

элементах имелись мембранные фильтры, пропитанные фосфолипидами с

бактериородопсином и хлорофиллом. Ученые полагают, что подобные фильтры с белками-генераторами, соединенные последовательно, могут служить в

качестве электрической батареи.

Исследования по прикладному использованию белков-генераторов, выполненные в лаборатории члена-корреспондента АН СССР В. П. Скулачева привлекли к себе пристальное внимание ученых. В Калифорнийском университете создали такую же батарею, которая при однократном использовании в течение полутора часов заставляла светиться электрическую лампочку. Результаты экспериментов вселяют надежду, что фотоэлементы на основе бактериородопсина и хлорофилла найдут применение в качестве генераторов электрической энергии. Проведенные опыты - первый этап в создании новых видов фотоэлектрических и топливных элементов, способных трансформировать световую энергию с большой эффективностью.

Команда биологов и инженеров под руководством профессора Марка Балдо (Marc Baldo) решила, что растительные белки могут вырабатывать электричество для зарядки аккумуляторов, скажем, ноутбука. В качестве естественного преобразователя света в электроток учёные использовали фотосинтетические белки, извлечённые из хлоропластов листьев шпината, а также из бактерий Rhodobacter sphaeroides. Однако, набрав, таким образом, пару миллиардов крошечных органических помощников, экспериментаторы должны были предоставить им условия для работы. Ведь на сухой твёрдой поверхности белки не сохраняются долго. Тогда органику решили "обмануть", заставив "думать", что она всё ещё внутри организма. Для этого создатели биофотоячеек применили искусственный материал, созданный молекулярным биологом MIT Шугуан Чжан (Shuguang Zhang). Материал представляет собой искусственные пептиды, способные самособираться в структуры, похожие на клеточные мембраны. Защитные молекулы сформировали щит вокруг фотосинетических белков, благодаря чему они смогли какое-то время существовать в солнечной батарее.

Сама же батарея была собрана следующим образом (по ходу лучей света): стекло, тончайший слой оксида индия (в качестве прозрачного электрода), фотосинтетические белки в пептидной оболочке, органический полупроводник, серебряный электрод. Поглощая фотоны, белки переправляли электроны через слой полупроводника в серебряный электрод. Увы, несмотря на все ухищрения, белки давали ток лишь 21 день. Тут то пора сказать, зачем собственно учёным возиться с такими ненадёжными "партнёрами", когда давно есть классические фотоэлектрические преобразователи на полупроводниках, в области которых в последнее время наметился явный прогресс . КПД их составил 12%. По современным представлениям - не так уж много. Но считается, что его можно поднять до 20%, а это в сочетании с низкой стоимостью изготовления - уже серьёзная заявка на то, чтобы потеснить полупроводниковые солнечные панели. Для этого, к примеру, можно сделать внутреннюю поверхность стекла шероховатой, чтобы увеличить эффективную площадь, на которой будут размещаться фотосинтетические белки. А как же срок службы? Тут снова можно подсмотреть "патент" у природы. Растения ведь заменяют старые фотосинтетические белки на новые. Для солнечных батарей также можно придумать технологию самовосстановления, создав фактически искусственный "зелёный лист", который собирает солнечную энергию, но вместо привычного производства биомассы направляет её в провода. Если эта проблема будет решена, то по сроку службы белковые солнечные панели даже превзойдут полупроводниковые, которые на самовосстановление не способны.

Фотосинтез и урожай

Жизнь современного человека немыслима без выращивания различных культурных растений. Органические вещества, образуемые ими в ходе фотосинтеза, служат основой питания человека, производства лекарств, они нужны для изготовления бумаги, мебели, строительных материалов и т.п.

Каковы же пути управления человеком фотосинтетической деятельностью растений?

Опыты известного отечественного физиолога растений В.Н.Любименко показали, что увеличение количества углекислого газа в атмосфере до 1,5 % приводит к прямо пропорциональному возрастанию интенсивности фотосинтеза.

Таким образом, один из путей повышения продуктивности фотосинтеза - увеличение концентрации углекислого газа в воздухе.

Современный уровень технологии, в целом, позволяет решить эту задачу в глобальных масштабах. Однако весьма сомнительно, чтобы человек решился на практике осуществить этот проект. Дело в том, что более высокий уровень содержания углекислого газа в воздухе приведет к изменению теплового баланса планеты, к ее перегреву вследствие так называемого «парникового эффекта». «Парниковый эффект» обусловлен тем, что при наличии большого количества углекислого газа атмосфера начинает сильнее задерживать испускаемые поверхностью Земли тепловые лучи.

Перегрев планеты может привести к таянию льдов в полярных областях и в высокогорьях, к поднятию уровня Мирового океана, к сокращению площади суши, в том числе занятой культурной растительностью. Если учесть, что население Земли увеличивается еженедельно на 1 миллион 400 тысяч человек, то понятна крайняя нежелательность таких изменений.

Человечество весьма обеспокоено естественным ростом концентрации углекислого газа в атмосфере, наблюдаемым в последние годы в результате интенсивного развития промышленности, автомобильного, железнодорожного и авиационного транспорта. Поэтому оно едва ли решится когда-либо сознательно стимулировать этот процесс в глобальных масштабах.

В последние годы для обогащения почвы и припочвенного воздуха СО 2 поля стали поливать водой, насыщенной углекислым газом.

Другой путь преодоления отрицательного влияния низкой концентрации углекислого газа в атмосфере на урожай - распространение таких форм растений, которые очень интенсивно фотосинтезируют даже при ничтожно малом его содержании. Это - С 4 - растения. У них рекордные показатели интенсивности фотосинтеза.

Распространение таких растений, дальнейшее изучение особенностей их фотосинтеза представляется весьма нужным и перспективным.

Растительность земного шара довольно неэффективно использует солнечную энергию.

Повысить эффективность использования солнечной энергии в ходе фотосинтеза можно, расположив растения на оптимальном расстоянии друг от друга. В изреженных посевах значительная часть света пропадет зря, а вот в загущенных растения затеняют друг друга, их стебли становятся длинными и ломкими, легко полегающими от дождя и ветра.

Экология фотосинтеза.

Интенсивность фотосинтеза зависит в первую очередь от интенсивности и спектрального состава света, концентрации СО 2 и О 2 , температуры, водного режима растения, минерального питания и др. факторов внешней среды. Адаптация фотосинтеза к этим факторам лежит в основе жизнедеятельности растения. В условиях, когда внешние факторы не лимитируют скорость фотосинтеза, его интенсивность достигает максимальной величины и целиком определяется ростовой функцией.

Зависимость скорости фотосинтеза от интенсивности падающего света имеет форму логарифмической кривой. У светолюбивых С 3 – растений максимальная скорость фотосинтеза наблюдается при освещении меньше яркого

солнечного света. При дальнейшем увеличении интенсивности падающего света

кривая скорости фотосинтеза постепенно выходит на плато (насыщение) и затем снижается (так называемое послеполуденное торможение).

У С 4 - растений высокая скорость фотосинтеза наблюдается только при высоком уровне освещенности. У них отсутствует послеполуденное торможение фотосинтеза, а световая кривая не имеет насыщения на ярком солнечном свету.

Во второй половине XIX столетия было установлено, что энергия

солнечного света усваивается и трансформируется при помощи зеленого пигмента хлорофилла.

На основе проведенных опытов можно сказать что, зеленая окраска

хлорофилла определяется наличием в нем атома металла вне зависимости от того, будет ли это магний, медь или цинк.

Как известно растения поглощают углекислый газ, который присоединяется к пятиуглеродному веществу под названием рибулезодифосфат, где потом он в дальнейшем участвует во многих других реакциях.

Изучение особенностей фотосинтеза у разных растений, безусловно, будет способствовать расширению возможностей человека в управлении их фотосинтетической деятельностью, продуктивностью и урожаем. В целом фотосинтез это один из основополагающих процессов жизни, на котором основана большая часть современной растительной фауны на поверхности земли.

Список литературы. 1. Б. Дижур «Зеленая лаборатория» - М.: Детгиз, 1954. 2. Артамонов В. И. «Занимательная физиология растений». – М.: Агропромиздат, 1991 3. Сергеев И. И. «История фотосинтеза». – М.: Наука, 1989 4. Пчелов А. М. «Природа и ее жизнь». – Л.: Жизнь, 1990

Институт Транспорта и Связи

Гражданская оборона

Тема: Экологические проблемы энергетики

Тип: Реферат

Выполнил: Ситников Максим

группа 3301 BN

Дата сдачи на проверку: ______ ___

Дата возврата на доработку:______ ___

Зачет/не зачет

Преподаватель: Л.Н. Загребина

Рига-2004
Введение

Существует образное выражение, что мы живем в эпоху трех «Э»: экономика, энергетика, экология. При этом экология как наука и образ мышления привлекает все более и более пристальное внимание человечества.

Экологию рассматривают как науку и учебную дисциплину, которая призвана изучать взаимоотношения организмов и среды во всем их разнообразии. При этом под средой понимается не только мир неживой природы, а и воздействие одних организмов или их сообществ на другие организмы и сообщества. Экологию иногда связывают только с учением о среде обитания или окружающей среде. Последнее в основе правильно с той, однако, существенной поправкой, что среду нельзя рассматривать в отрыве от организмов, как и организмы вне их среды обитания. Это составные части единого функционального целого, что и подчеркивается приведенным выше определением экологии как науки о взаимоотношениях организмов и среды.

Такую двустороннюю связь важно подчеркнуть в связи с тем, что это основополагающее положение часто недоучитывается: экологию сводят только к влиянию среды на организмы. Ошибочность таких положений очевидна, поскольку именно организмы сформировали современную среду. Им же принадлежит первостепенная роль в нейтрализации тех воздействий на среду, которые происходили и происходят по различным причинам.

Концептуальные основы дисциплины. С момента появления «Экология» развивалась в рамках биологии практически на протяжении целого века - до 60-70-х годов прошлого столетия. Человек в этих системах, как правило, не рассматривался - полагалось, что его взаимоотношения со средой подчиняются не биологическим, а социальным закономерностям и являются объектом общественно-философских наук.

В настоящее время термин «экология» существенно трансформировался. Она стала больше ориентированной на человека в связи с его исключительно масштабным и специфическим влиянием на среду.

Сказанное позволяет дополнить определение «экологии» и назвать задачи, которые она призвана решать в настоящее время. Современную экологию можно рассматривать как науку, занимающуюся изучением взаимоотношений организмов, в том числе и человека, со средой, определением масштабов и допустимых пределов воздействия человеческого общества на среду, возможностей уменьшения этих воздействий или их полной нейтрализации. В стратегическом плане - это наука о выживании человечества и выходе из экологического кризиса, который приобрел (или приобретает) глобальные масштабы - в пределах всей планеты Земля.

Становится все более ясным, что человек очень мало знает о среде, в которой он живет, особенно о механизмах, которые формируют и сохраняют среду. Раскрытие этих механизмов (закономерностей) - одна из важнейших задач современной экологии.

Содержание термина «экология», таким образом, приобрело социально-политический, философский аспект. Она стала проникать практически во все отрасли знаний, с ней связывается гуманизация естественных и технических наук, она активно внедряется в гуманитарные области знаний. Экология при этом рассматривается не только как самостоятельная дисциплина, а как мировоззрение, призванное пронизывать все науки, технологические процессы и сферы деятельности людей.

Признано поэтому, что экологическая подготовка должна идти, по крайней мере, по двум направлениям через изучение специальных интегральных курсов и через экологизацию всей научной, производственной и педагогической деятельности.

Наряду с экологическим образованием существенное внимание уделяется экологическому воспитанию, с которым связывается бережное отношение к природе, культурному наследию, социальным благам. Без серьезного общеэкологического образования решение этой задачи также весьма проблематично.

Между тем, став в своем роде модной, экология не избежала вульгаризации понимания и содержания. В ряде случаев экология становится разменной монетой в достижении определенных политических целей, положения в обществе.

В разряд экологических нередко возводятся вопросы, относящиеся к отраслям производства, видам и результатам деятельности человека, просто если к ним добавляют модное слово «экология». Так появляются несуразные выражения, в том числе и в печати, типа «хорошая и плохая экология», «чистая и грязная экология», «испорченная экология» и др. Это равнозначно присвоению таких же эпитетов математике, физике, истории, педагогике и т. п.

Несмотря на отмеченные неясности и издержки в понимании объема, содержания и использования термина «экология», несомненным остается факт ее крайней актуальности в настоящее время.

В обобщенном виде экология изучает наиболее общие закономерности взаимоотношений организмов и их сообществ со средой в естественных условиях.

Социальная экология рассматривает взаимоотношения в системе «общество - природа», специфическую роль человека в системах различного ранга, отличие этой роли от других живых существ, пути оптимизации взаимоотношений человека со средой, теоретические основы рационального природопользования.

Проблемы энергетики

Энергетика - это та отрасль производства, которая развивается невиданно быстрыми темпами. Если численность населения в условиях современного демографического взрыва удваивается за 40-50 лет, то в производстве и потреблении энергии это происходит через каждые 12-15 лет. При таком соотношении темпов роста населения и энергетики, энерговооруженность лавинообразно увеличивается не только в суммарном выражении, но и в расчете на душу населения.

Нет основания ожидать, что темпы производства и потребления энергии в ближайшей перспективе существенно изменятся (некоторое замедление их в промышленно развитых странах компенсируется ростом энерговооруженности стран третьего мира), поэтому важно получить ответы на следующие вопросы:

· какое влияние на биосферу и отдельные ее элементы оказывают основные виды современной (тепловой, водной, атомной) энергетики и как будет изменяться соотношение этих видов в энергетическом балансе в ближайшей и отдаленной перспективе;

· можно ли уменьшить отрицательное воздействие на среду современных (традиционных) методов получения и использования энергии;

· каковы возможности производства энергии за счет альтернативных (нетрадиционных) ресурсов, таких как энергия солнца, ветра, термальных вод и других источников, которые относятся к неисчерпаемым и экологически чистым.

Экологические проблемы тепловой энергетики

За счет сжигания топлива (включая уголь, дрова и другие биоресурсы) в настоящее время производится около 90% энергии. Доля тепловых источников уменьшается до 80-85% в производстве электроэнергии. При этом в промышленно развитых странах нефть и нефтепродукты используются в основном для обеспечения нужд транспорта. Например, в США (данные на 1995 г.) нефть в общем энергобалансе страны составляла 44%, а в получении электроэнергии - только 3%. Для угля характерна противоположная закономерность: при 22% в общем энергобалансе он является основным в получении электроэнергии (52%). В Китае доля угля в получении электроэнергии близка к 75%, в то же время в России преобладающим источником получения электроэнергии является природный газ (около 40%), а на долю угля приходится только 18% получаемой энергии, доля нефти не превышает 10%.

В мировом масштабе гидроресурсы обеспечивают получение около 5-6% электроэнергии, атомная энергетика, дает 17-18% электроэнергии. Причем в ряде стран она является преобладающей в энергетическом балансе (Франция - 74%, Бельгия -61%, Швеция - 45%).

Сжигание топлива - не только основной источник энергии, но и важнейший поставщик в среду загрязняющих веществ. Тепловые электростанции в наибольшей степени «ответственны» за усиливающийся парниковый эффект и выпадение кислотных осадков. Они, вместе с транспортом, поставляют в атмосферу основную долю техногенного углерода (в основном в виде СО2), около 50% двуокиси серы, 35% - окислов азота и около 35% пыли. Имеются данные, что тепловые электростанции в 2-4 раза сильнее загрязняют среду радиоактивными веществами, чем АЭС такой же мощности.

В выбросах ТЭС содержится значительное количество металлов и их соединений. При пересчете на смертельные дозы в годовых выбросах ТЭС мощностью 1 млн. кВт содержится алюминия и его соединений свыше 100 млн. доз, железа-400 млн. доз, магния -1,5 млн. доз. Летальный эффект этих загрязнителей не проявляется только потому, что они попадают в организмы в незначительных количествах. Это, однако, не исключает их отрицательного влияния через воду, почвы и другие звенья экосистем.

Вместе с тем влияние энергетики на среду и ее обитателей в большей мере зависит от вида используемых энергоносителей (топлива). Наиболее чистым топливом является природный газ, далее следует нефть (мазут), каменные угли, бурые угли, сланцы, торф.

Введение
1. Проблемы энергетики
2. Экологические проблемы тепловой энергетики
3. Экологические проблемы гидроэнергетики
4. Экологические проблемы ядерной энергетики
5. Пути решения проблем современной энергетики
Заключение
Список использованной литературы

Введение

Антропогенный период является революционным в истории Земли. Человечество проявляет себя как величайшая геологическая сила по масштабам своей деятельности на нашей планете. А если вспомнить о непродолжительности времени существования человека по сравнению с жизнью планеты, то значение его деятельности предстанет еще яснее.

Технические возможности человека изменять природную среду стремительно возрастали, достигнув своей высшей точки в эпоху научно-технической революции. Ныне он способен осуществить такие проекты преобразования природной среды, о которых еще сравнительно недавно не смел и мечтать. Рост могущества человека ведет к увеличению отрицательных для природы и, в конечном счете, опасных для существования человека последствий его деятельности, значение которых только сейчас начинает осознаваться.

Становление и развитие человеческого общества сопровождалось локальными и региональными экологическими кризисами антропогенного происхождения. Можно сказать, что шаги человечества вперед по пути научно-технического прогресса неотступно сопровождали негативные моменты, резкое обострение которых приводило к экологическим кризисам.

Характерной особенностью нашего времени является интенсификация и глобализация воздействия человека на окружающую его природную среду, что сопровождается небывалыми ранее интенсификацией и глобализацией негативных последствий этого воздействия. И если раньше человечество испытывало локальные и региональные экологические кризисы, которые могли привести к гибели какой-либо цивилизации, но не препятствовали дальнейшему прогрессу человеческого рода в целом, то теперешняя экологическая ситуация чревата глобальным экологическим коллапсом. Поскольку современный человек разрушает механизмы целостного функционирования биосферы в планетарном масштабе. Кризисных точек как в проблемном, так и в пространственном смысле становится все больше, и они оказываются тесно связанными между собой. Именно это обстоятельство и позволяет говорить о наличии глобального экологического кризиса и угрозе экологической катастрофы.

Становится все более ясным, что человек очень мало знает о среде, в которой он живет, особенно о механизмах, которые формируют и сохраняют среду. Раскрытие этих механизмов (закономерностей) — одна из важнейших задач современной экологии.

1. Проблемы энергетики

Энергетика — это та отрасль производства, которая развивается невиданно быстрыми темпами. Если численность населения в условиях современного демографического взрыва удваивается за 40-50 лет, то в производстве и потреблении энергии это происходит через каждые 12-15 лет. При таком соотношении темпов роста населения и энергетики, энерговооруженность лавинообразно увеличивается не только в суммарном выражении, но и в расчете на душу населения.

какое влияние на биосферу и отдельные ее элементы оказывают основные виды современной (тепловой, водной, атомной) энергетики, и как будет изменяться соотношение этих видов в энергетическом балансе в ближайшей и отдаленной перспективе;
можно ли уменьшить отрицательное воздействие на среду современных (традиционных) методов получения и использования энергии;
каковы возможности производства энергии за счет альтернативных (нетрадиционных) ресурсов, таких как энергия солнца, ветра, термальных вод и других источников, которые относятся к неисчерпаемым и экологически чистым.

В настоящее время энергетические потребности обеспечиваются в основном за счет трех видов энергоресурсов:

1) органического топлива,

3) атомного ядра.

Энергия воды и атомная энергия используются человеком после превращения ее в электрическую энергию. В то же время значительное количество энергии, заключенной в органическом топливе, используется в виде тепловой, и только часть ее превращается в электрическую. Однако и в том и в другом случае высвобождение энергии из органического топлива связано с его сжиганием, следовательно, и с поступлением продуктов горения в окружающую среду.

2. Экологические проблемы тепловой энергетики

За счет сжигания топлива (включая уголь, дрова и другие биоресурсы) в настоящее время производится около 90% энергии. Доля тепловых источников уменьшается до 80-85% в производстве электроэнергии. При этом в промышленно развитых странах нефть и нефтепродукты используются в основном для обеспечения нужд транспорта. Например, в США (данные на1995 г.) нефть в общем энергобалансе страны составляла 44%, а в получении электроэнергии — только 3%. Для угля характерна противоположная закономерность: при 22% в общем энергобалансе он является основным в получении электроэнергии (52%). В Китае доля угля в получении электроэнергии близка к 75%, в то же время в России преобладающим источником получения электроэнергии является природный газ (около 40%), а на долю угля приходится только 18% получаемой энергии, доля нефти не превышает 10%.

Сжигание топлива — не только основной источник энергии, но и важнейший поставщик в среду загрязняющих веществ. Тепловые электростанции в наибольшей степени «ответственны» за усиливающийся парниковый эффект и выпадение кислотных осадков. Они, вместе с транспортом, поставляют в атмосферу основную долю техногенного углерода (в основном в виде СО2), около 50% двуокиси серы, 35% — окислов азота и около 35% пыли. Имеются данные, что тепловые электростанции в 2-4 раза сильнее загрязняют среду радиоактивными веществами, чем АЭС такой же мощности.

Хотя в настоящее время значительная доля электроэнергии производится за счет относительно чистых видов топлива (газ, нефть), однако закономерной является тенденция уменьшения их доли. По имеющимся прогнозам, эти энергоносители потеряют свое ведущее значение уже в первой четверти XXI столетия.

Не исключена вероятность существенного увеличения в мировом энергобалансе использования угля. По имеющимся расчетам, запасы углей таковы, что они могут обеспечивать мировые потребности в энергии в течение 200-300 лет. Возможная добыча углей, с учетом разведанных и прогнозных запасов, оценивается более чем в 7 триллионов тони. Поэтому закономерно ожидать увеличения доли углей или продуктов их переработки (например, газа) в получении энергии, а, следовательно, и в загрязнении среды. Угли содержат от 0,2 до десятков процентов серы в основном в виде пирита, сульфата, закисного железа и гипса. Имеющиеся способы улавливания серы при сжигании топлива далеко не всегда используются из-за сложности и дороговизны. Поэтому значительное количество ее поступает и, по-видимому, будет поступать в ближайшей перспективе в окружающую среду. Серьезные экологические проблемы связаны с твердыми отходами ТЭС — золой и шлаками. Хотя зола в основной массе улавливается различными фильтрами, все же в атмосферу в виде выбросов ТЭС ежегодно поступает около 250 млн. тонн мелкодисперсных аэрозолей. Последние способны заметно изменить баланс солнечной радиации у земной поверхности. Они же являются ядрами конденсации для паров воды и формирования осадков; а, попадая в органы дыхания человека и других организмов, вызывают различные респираторные заболевания.

Выбросы ТЭС являются существенным источником такого сильного канцерогенного вещества, как бензопирен. С его действием связано увеличение онкологических заболеваний. В выбросах угольных ТЭС содержатся также окислы кремния и алюминия. Эти абразивные материалы способны разрушать легочную ткань и вызывать такое заболевание, как силикоз.

Серьезную проблему вблизи ТЭС представляет складирование золы и ишаков. Для этого требуются значительные территории, которые долгое время не используются, а также являются очагами накопления тяжелых металлов и повышенной радиоактивности.

Имеются данные, что если бы вся сегодняшняя энергетика базировалась на угле, то выбросы СО, составляли бы 20 млрд. тонн в год (сейчас они близки к 6 млрд. т/год). Это тот предел, за которым прогнозируются такие изменения климата, которые обусловят катастрофические последствия для биосферы.

ТЭС — существенный источник подогретых вод, которые используются здесь как охлаждающий агент. Эти воды нередко попадают в реки и другие водоемы, обусловливая их тепловое загрязнение и сопутствующие ему цепные природные реакции (размножение водорослей, потерю кислорода, гибель гидробионтов, превращение типично водных экосистем в болотные и т. п.).

3. Экологические проблемы гидроэнергетики

Одно из важнейших воздействий гидроэнергетики связано с отчуждением значительных площадей плодородных (пойменных) земель под водохранилища. В России, где за счет использования гидроресурсов производится не более 20% электрической энергии, при строительстве ГЭС затоплено не менее 6 млн. га земель. На их месте уничтожены естественные экосистемы. Значительные площади земель вблизи водохранилищ испытывают подтопление в результате повышения уровня грунтовых вод. Эти земли, как правило, переходят в категорию заболоченных. В равнинных условиях подтопленные земли могут составлять 10% и более от затопленных. Уничтожение земель и свойственных им экосистем происходит также в результате их разрушения водой (абразии) при формировании береговой линии. Абразионные процессы обычно продолжаются десятилетиями, имеют следствием переработку больших масс почвогрунтов, загрязнение вод, заиление водохранилищ. Таким образом, со строительством водохранилищ связано резкое нарушение гидрологического режима рек, свойственных им экосистем и видового состава гидробионтов.

Ухудшение качества воды в водохранилищах происходит по различным причинам. В них резко увеличивается количество органических веществ как за счет ушедших под воду экосистем (древесина, другие растительные остатки, гумус почв и т. п.), так и вследствие их накопления в результате замедленного водообмена. Это своего рода отстойники и аккумуляторы веществ, поступающих с водосборов.

В водохранилищах резко усиливается прогревание вод, что интенсифицирует потерю ими кислорода и другие процессы, обусловливаемые тепловым загрязнением. Последнее, совместно с накоплением биогенных веществ, создает условия для зарастания водоемов и интенсивного развития водорослей, в том числе и ядовитых синезеленых (цианей). По этим причинам, а также вследствие медленной обновляемости вод резко снижается их способность к самоочищению. Ухудшение качества воды ведет к гибели многих ее обитателей. Возрастает заболеваемость рыбного стада, особенно поражение гельминтами. Снижаются вкусовые качества обитателей водной среды. Нарушаются пути миграции рыб, идет разрушение кормовых угодий, нерестилищ и т. п.

В конечном счете, перекрытые водохранилищами речные системы из транзитных превращаются в транзитноаккумулятивные. Кроме биогенных веществ, здесь аккумулируются тяжелые металлы, радиоактивные элементы и многие ядохимикаты с длительным периодом жизни. Продукты аккумуляции делают проблематичным возможность использования территорий, занимаемых водохранилищами, после их ликвидации. Имеются данные, что в результате заиления равнинные водохранилища теряют свою ценность как энергетические объекты через 50-100 лет после их строительства. Например, подсчитано, что большая Асуанская плотина, построенная на Ниле в 60-е годы, будет наполовину заилена уже к 2025 году. Несмотря на относительную дешевизну энергии, получаемой за счет гидроресурсов, доля их в энергетическом балансе постепенно уменьшается. Это связано как с исчерпанием наиболее дешевых ресурсов, так и с большой территориальной емкостью равнинных водохранилищ. Считается, что в перспективе мировое производство энергии на ГЭС не будет превышать 5% от общей.

Водохранилища оказывают заметное влияние на атмосферные процессы. Например, в засушливых (аридных) районах, испарение с поверхности водохранилищ превышает испарение с равновеликой поверхности суши в десятки раз. С повышенным испарением связано понижение температуры воздуха, увеличение туманных явлений. Различие тепловых балансов водохранилищ и прилегающей суши обусловливает формирование местных ветров типа бризов. Эти, а также другие явления имеют следствием смену экосистем (не всегда положительную), изменение погоды. В ряде случаев в зоне водохранилищ приходится менять направление сельского хозяйства. Например, в южных частях мира некоторые теплолюбивые культуры (бахчевые) не успевают вызревать, повышается заболеваемость растений, ухудшается качество продукции.

Издержки гидростроительства для среды заметно меньше в горных районах, где водохранилища обычно невелики по площади. Однако в сейсмоопасных горных районах водохранилища могут провоцировать землетрясения. Увеличивается вероятность оползневых явлений и вероятность катастроф в результате возможного разрушения плотин. Так, в1960 г. в Индии (штат Гунжарат) в результате прорыва плотины вода унесла 15 тысяч жизней людей.

4. Экологические проблемы ядерной энергетики

Ядерная энергетика до недавнего времени рассматривалась как наиболее перспективная. Это связано как с относительно большими запасами ядерного топлива, так и со щадящим воздействием на среду. К преимуществам относится также возможность строительства АЭС, не привязываясь к месторождениям ресурсов, поскольку их транспортировка не требует существенных затрат в связи с малыми объемами. Достаточно отметить, что0,5 кгядерного топлива позволяет получать столько же энергии, сколько сжигание 1000 тонн каменного угля.

До середины 80-х годов человечество в ядерной энергетике видело один из выходов из энергетического тупика. Только за 20 лет (с середины 60-х до середины 80-х годов) мировая доля энергетики, получаемой на АЭС, возросла практически с нулевых значений до 15-17%, а в ряде стран она стала превалирующей. Ни один другой вид энергетики не имел таких темпов роста. До недавнего времени основные экологические проблемы АЭС связывались с захоронением отработанного топлива, а также с ликвидацией самих АЭС после окончания допустимых сроков эксплуатации. Имеются данные, что стоимость таких ликвидационных работ составляет от 1/6 до 1/3 от стоимости самих АЭС.

Некоторые параметры воздействия АЭС и ТЭС на среду представлены в таблице.

Таблица 4.1

Сравнение АЭС и ТЭС по расходу топлива и воздействию на среду.

Мощность электростанций по 1000 мВт, работа в течение года.

При нормальной работе АЭС выбросы радиоактивных элементов в среду крайне незначительны. В среднем они в 2-4 раза меньше, чем от ТЭС одинаковой мощности.

К маю 1986г. 400 энергоблоков, работавших в мире и дававших более 17% электроэнергии, увеличили природный фон радиоактивности не более чем на 0,02%. До Чернобыльской катастрофы не в только в мире, но и в России никакая отрасль производства не имела меньшего уровня производственного травматизма, чем АЭС. За 30 лет до трагедии при авариях, и то по нерадиационным причинам, погибло 17 человек. После1986 г. главную экологическую опасность АЭС стали связывать с возможностью аварий. Хотя вероятность их на современных АЭС и невелика, но и она не исключается. К наиболее крупным авариям такого плана относится случившаяся на четвертом блоке Чернобыльской АЭС.

По различным данным, суммарный выброс продуктов деления от содержащихся в реакторе составил от 3,5% (63 кг) до 28% (50 т). Для сравнения отметим, что бомба, сброшенная на Хиросиму, дала только740 градиоактивного вещества.

В результате аварии на Чернобыльской АЭС радиоактивному загрязнению подверглась территория в радиусе более 2 тыс. км, охватившая более 20 государств. В пределах бывшего СССР пострадало 11 областей, где проживает 17 млн. человек. Общая площадь загрязненных территорий превышает 8 млн. га, или 80000 км2. В результате аварии погиб 31 человек и более 200 человек получили дозу радиации, приведшую к лучевой болезни. 115 тыс. человек было эвакуировано из наиболее опасной (30-километровой) зоны сразу после аварии. Число жертв и количество эвакуированных жителей увеличивается, расширяется зона загрязнения в результате перемещения радиоактивных веществ ветром, при пожарах, с транспортом и т. п. Последствия аварии будут сказываться на жизни еще нескольких поколений.

После аварии на Чернобыльской АЭС отдельные страны приняли решение о полном запрете на строительство АЭС. В их числе Швеция, Италия, Бразилия, Мексика. Швеция, кроме того, объявила о намерении демонтировать все действующие реакторы (их 12), хотя они и давали около 45% всей электроэнергии страны. Резко замедлились темпы развития данного вида энергетики в других странах. Приняты меры по усилению защиты от аварий существующих, строящихся и планируемых к строительству АЭС. Вместе с тем человечество осознает, что без атомной энергетики на современном этапе развития не обойтись. Строительство и ввод в строй новых АЭС постепенно увеличивается. В настоящее время в мире действует более 500 атомных реакторов. Около 100 реакторов находится в стадии строительства.

В процессе ядерных реакций выгорает лишь 0,5-1,5% ядерного топлива. Ядерный реактор мощностью 1000 МВт за год работы выделяет около 60 т радиоактивных отходов. Часть их подвергается переработке, а основная масса требует захоронения. Технология захоронения довольно сложна и дорогостояща. Отработанное топливо обычно перегружается в бассейны выдержки, где за несколько лет существенно снижается радиоактивность и тепловыделение. Захоронение обычно проводится на глубинах не менее 500-600 шурфах. Последние располагаются друг от друга на таком расстоянии, чтобы исключалась возможность атомных реакций.

Неизбежный результат работы АЭС — тепловое загрязнение. На единицу получаемой энергии здесь оно в 2-2,5 раза больше, чем на ТЭС, где значительно больше тепла отводится в атмосферу. Выработка 1 млн. кВт электроэнергии на ТЭС дает 1,5 км3 подогретых вод, на АЭС такой же мощности объем подогретых вод достигает 3-3,5 км3.

Следствием больших потерь тепла на АЭС является их более низкий коэффициент полезного действия по сравнению с ТЭС. На последних он равен 35%, а на АЭС — только 30-31 %.

В целом можно назвать следующие воздействия АЭС на среду:

разрушение экосистем и их элементов (почв, грунтов, водоносных структур и т. п.) в местах добычи руд (особенно при открытом способе);
изъятие земель под строительство самих АЭС. Особенно значительные территории отчуждаются под строительство сооружений для подачи, отвода и охлаждения подогретых вод. Для электростанции мощностью 1000 МВт требуется пруд-охладитель площадью около 800-900 га. Пруды могут заменяться гигантскими градирнями с диаметром у основания 100-120 ми высотой, равной 40-этажному зданию;
изъятие значительных объемов вод из различных источников и сброс подогретых вод. Если эти воды попадают в реки и другие источники, в них наблюдается потеря кислорода, увеличивается вероятность цветения, возрастают явления теплового стресса у гидробионтов;
не исключено радиоактивное загрязнение атмосферы, вод и почв в процессе добычи и транспортировки сырья, а также при работе АЭС, складировании и переработке отходов, их захоронениях.

5. Пути решения проблем современной энергетики

Несомненно, что в ближайшей перспективе тепловая энергетика будет оставаться преобладающей в энергетическом балансе мира и отдельных стран. Велика вероятность увеличения доли углей и других видов менее чистого топлива в получении энергии. В этой связи рассмотрим некоторые пути и способы их использования, позволяющие существенно уменьшать отрицательное воздействие на среду. Эти способы базируются в основном на совершенствовании технологий подготовки топлива и улавливания вредных отходов. В их числе можно назвать следующие:

1. Использование и совершенствование очистных устройств. В настоящее время на многих ТЭС улавливаются в основном твердые выбросы с помощью различного вида фильтров. Наиболее агрессивный загрязнитель — сернистый ангидрид на многих ТЭС не улавливается или улавливается в ограниченном количестве. В то же время имеются ТЭС (США, Япония), на которых производится практически полная очистка от данного загрязнителя, а также от окислов азота и других вредных полютантов. Для этого используются специальные десульфурационные (для улавливания диоксида и триоксида серы) и денитрификационные (для улавливания окислов азота) установки. Наиболее широко улавливание окислов серы и азота осуществляется посредством пропускания дымовых газов через раствор аммиака. Конечными продуктами такого процесса являются аммиачная селитра, используемая как минеральное удобрение, или раствор сульфита натрия (сырье для химической промышленности). Такими установками улавливается до 96% окислов серы и более 80% оксидов азота. Существуют и другие методы очистки от названных газов.

3. Большие и реальные возможности уменьшения или стабилизации поступления загрязнений в среду связаны с экономией электроэнергии. Особенно велики такие возможности за счет снижения энергоемкости получаемых изделий. Например, в США на единицу получаемой продукции расходовалось в среднем в 2 раза меньше энергии, чем в бывшем СССР. В Японии такой расход был меньшим в три раза. Не менее реальна экономия энергии за счет уменьшения металлоемкости продукции, повышения ее качества и увеличения продолжительности жизни изделий. Перспективно энергосбережение за счет перехода на наукоемкие технологии, связанные с использованием компьютерных и других слаботочных устройств.

4. Не менее значимы возможности экономии энергии в быту и на производстве за счет совершенствования изоляционных свойств зданий. Реальную экономию энергии дает замена ламп накаливания с КПД около 5% флуоресцентными, КПД которых в несколько раз выше.

Крайне расточительно использование электрической энергии для получения тепла. Важно иметь в виду, что получение электрической энергии на ТЭС связано с потерей примерно 60-65% тепловой энергии, а на АЭС — не менее 70% энергии. Энергия теряется также при передаче ее по проводам на расстояние. Поэтому прямое сжигание топлива для получения тепла, особенно газа, намного рациональнее, чем через превращение его в электричество, а затем вновь в тепло.

5. Заметно повышается также КПД топлива при его использовании вместо ТЭС на ТЭЦ. В последнем случае объекты получения энергии приближаются к местам ее потребления и тем самым уменьшаются потери, связанные с передачей на расстояние. Наряду с электроэнергией на ТЭЦ используется тепло, которое улавливается охлаждающими агентами. При этом заметно сокращается вероятность теплового загрязнения водной среды. Наиболее экономично получение энергии на небольших установках типа ТЭЦ (иогенирование) непосредственно в зданиях. В этом случае потери тепловой и электрической энергии снижаются до минимума. Такие способы в отдельных странах находят все большее применение.

Существуют также различные альтернативные источники получения энергии. Основные современные источники получения энергии (особенно ископаемое топливо) можно рассматривать в качестве средства решения энергетических проблем на ближайшую перспективу. Это связано с их исчерпанием и неизбежным загрязнением среды. В этой связи важно познакомиться с возможностями использования новых источников энергии, которые позволили бы заменить существующие. К таким источникам относится энергия солнца, ветра, вод, термоядерного синтеза и других источников которые можно использовать следующим образом:

солнце как источник тепловой энергии
солнце как источник электрической энергии
использование солнечной энергии через фотосинтез и биомассу
ветер как источник энергии
возможности использования нетрадиционных гидроресурсов
энергетические ресурсы морских, океанических и термальных вод
термоядерная энергия.

Заключение

Рассмотрим в таблице различные альтернативные источники энергии, их состояние, экологичность, перспективы развития для решения энергетических проблем, отражающихся на экологии.

Источник энергии	Состояние и экологичность	Перспективы использования
уголь	твердое
	химическое загрязнение атмосферы условно принятое за 1	потенциальные запасы 10125 млрд. т, перспективен не менее чем на 100 лет
нефть	жидкое
	химическое загрязнение атмосферы 0,6 условных единиц	потенциальный запас 270-290 млрд. т, перспективен не менее чем на 30 лет
газ	газообразное
	химическое загрязнение атмосферы 0,2 условных единиц	потенциальный запас 270 млрд. т, перспективен на 30-50 лет
сланцы	твердое
	значительное количество отходов и трудно устраняемые выбросы	запасы более 38400 млрд. т, малоперспективен из-за загрязнений
торф	твердое
	высокая зольность и экологические нарушения в местах добычи	запасы значительны: 150 млрд. т, малоперспективен из-за высокой зольности и экологических нарушений в местах выработки
гидроэнергия	жидкое
	нарушение экологического баланса	запасы 890 млн. т нефтяного эквивалента
геотермальная	жидкое
энергия	химическое загрязнение	неисчерпаемы, перспективен
солнечная энергия		практически неисчерпаем, перспективен
энергия приливов	жидкое
	тепловое загрязнение	практически неисчерпаем
энергия атомного распада	твердое	запасы физически неисчерпаемы, экологически опасен

Есть реальные возможности для перехода на альтернативные источники энергии (неисчерпаемые и экологически чистые). С этих позиций современные методы получения энергии можно рассматривать как своего рода переходные. Вопрос заключается в том, какова продолжительность этого переходного периода и какие имеются возможности для его сокращения.

Список использованной литературы

Аттали Ж. На пороге нового тысячелетия: Пер. с англ. — М.: Международные отношения, 1993.
Бродский А.К. Краткий курс общей экологии: Учеб.пособие. — 3-е изд. – М., 1999.
Горелов А.А. Экология: Учеб. пособие. — М.: Центр, 1998.
Ерофеев Б.В. Экологическое право: Учебник для вузов. — М.: Юриспруденция, 1999.
Ерофеев Б.В. Экологическое право России: Учебник. — М.: Юристъ, 1996.
Лавров С.Б. Глобальные проблемы современности: часть 1. — СПб., 1993.
Лавров С.Б. Глобальные проблемы современности: часть 2. — СПб., 1995.

Введение

Нет основания ожидать, что темпы производства и потребления энергии в

ближайшей перспективе существенно изменятся, поэтому важно получить ответы на следующие вопросы:

Какое влияние на биосферу и отдельные ее элементы оказывают основные

Виды современной (тепловой, водной, атомной) энергетики и как будет

Изменяться соотношение этих видов в энергетическом балансе в

Ближайшей и отдаленной перспективе;

Можно ли уменьшить отрицательное воздействие на среду современных

(традиционных) методов получения и использования энергии;

Экологические проблемы тепловой энергетики

Сжигание органического топлива для получения электрической энергии и/или тепла, и в особенности электроэнергетика с её огромными централизованными электростанциями, является одной из основ функционирования современного общества и европейской экономики. С другой стороны, топливосжигающие установки расходуют большое количество органического топлива различных видов и других природных ресурсов, преобразуя их в полезную энергию. Функционирование этих предприятий приводит к образованию разнообразных отходов и поступлению большого количества загрязняющих веществ во все природные среды.

Органические виды топлива в настоящее время являются самым распространенным источником энергии. Однако их сжигание приводит к воздействиям на окружающую среду в целом, которые в некоторых случаях оказываются весьма значительными. Процесс сжигания ведет к поступлению различных веществ в воздух, воду и почву, причем выбросы в атмосферу считаются одной из глобальных экологических проблем.

С начала индустриализации энергетический баланс Земли изменяется в результате растущих выбросов антропогенных парниковых газов, в основном двуокиси углерода (СО2) и галогенпроизводных соединений HFC, PFC и SF6. В результате накопления этих газов в атмосфере на протяжении последних двухсот лет возросла доля инфракрасного излучения, задерживаемого атмосферой. В то же время наблюдается значительное повышение средней мировой температуры и концентрации CO2 в атмосфере.

Имеются данные, что тепловые электростанции в 2-4 раза сильнее загрязняют среду радиоактивными веществами, чем АЭС такой же мощности.

В выбросах ТЭС содержится значительное количество металлов и их

соединений. При пересчете на смертельные дозы в годовых выбросах ТЭС

мощностью 1 млн. кВт содержится алюминия и его соединений свыше 100 млн. доз, железа-400 млн. доз, магния -1,5 млн. доз. Летальный эффект этих

загрязнителей не проявляется только потому, что они попадают в организмы в

незначительных количествах. Это, однако, не исключает их отрицательного

влияния через воду, почвы и другие звенья экосистем.

Вместе с тем влияние энергетики на среду и ее обитателей в большей мере

зависит от вида используемых энергоносителей (топлива). Наиболее чистым

угли, бурые угли, сланцы, торф.

Хотя в настоящее время значительная доля электроэнергии производится за

счет относительно чистых видов топлива (газ, нефть), однако закономерной

является тенденция уменьшения их доли. По имеющимся прогнозам, эти

энергоносители потеряют свое ведущее значение уже в первой четверти XXI

недопустимости использования нефти как топлива: «нефть не топливо - топить можно и ассигнациями».

Не исключена вероятность существенного увеличения в мировом

энергобалансе использования угля. По имеющимся расчетам, запасы углей

таковы, что они могут обеспечивать мировые потребности в энергии в течение

200-300 лет. Возможная добыча углей, с учетом разведанных и прогнозных

запасов, оценивается более чем в 7 триллионов тонн. При этом более 1/3

мировых запасов углей находится на территории России. Поэтому закономерно ожидать увеличения доли углей или продуктов их переработки (например, газа) в получении энергии, а следовательно, и в загрязнении среды. Угли содержат от 0,2 до десятков процентов серы в основном в виде пирита, сульфата, закисного железа и гипса. Для уменьшения концентрации серы в продуктах сгорания топлив возможны два пути: уменьшение содержания серы в топливе до его сжигания и очистка дымовых газов от окислов серы. Имеющиеся способы улавливания серы при сжигании топлива далеко не всегда используются из-за сложности и дороговизны. Поэтому значительное количество ее поступает и, по-видимому, будет поступать в ближайшей перспективе в окружающую среду.

Серьезные экологические проблемы связаны с твердыми отходами ТЭС - золой и шлаками. Хотя зола в основной массе улавливается различными фильтрами, все же в атмосферу в виде выбросов ТЭС ежегодно поступает около 250 млн. т. мелкодисперсных аэрозолей. Последние способны заметно изменять баланс солнечной радиации у земной поверхности. Они же являются ядрами конденсации для паров воды и формирования осадков; а попадая в органы дыхания человека и других организмов, вызывают различные респираторные заболевания.

Выбросы ТЭС являются существенным источником такого сильного

канцерогенного вещества, как бензопирен. С его действием связано увеличение онкологических заболеваний. В выбросах угольных ТЭС содержатся также окислы кремния и алюминия. Эти абразивные материалы способны разрушать легочную ткань и вызывать такое заболевание, как силикоз, которым раньше болели шахтеры. Сейчас случаи заболевания силикозом регистрируются у детей, проживающих вблизи угольных ТЭС.

Серьезную проблему вблизи ТЭС представляет складирование золы и шлаков. Для этого требуются значительные территории, которые долгое время не используются, а также являются очагами накопления тяжелых металлов и повышенной радиоактивности.

Крупные ТЭС являются и значительным источником загрязненных вод(охлаждающие и сточные воды), сбрасываемых в реки, озера и морскую среду.

Тепловой КПД цикла горения ограничен термодинамическими пределами цикла Карно, который является идеальным циклом горения. Это означает, что не вся энергия химических связей топлива может быть преобразована в механическую и далее в электрическую энергию. В результате значительная часть энергии, полученная в результате горения, будет передана окружающей среде как сбросное тепло.

Сбросное тепло передается(посредством использования таких охлаждающих технологий, как прямоточные устройства или влажные градирни) охлаждающей воде и далее водной среде.

Потоки сточных вод, описанные выше, могут содержать множество различных загрязняющих веществ. В силу своих химических, биологических и физических характеристик эти вещества могут оказывать значительное воздействие на водную среду. Эти вещества могут вызывать изменение в воде принимающего объекта, например, повышение кислотности или щелочности, минерализации, уменьшение содержания кислорода и усиление интенсивности роста растений вследствие поступления дополнительного количества питательных веществ.

Имеются данные, что если бы вся сегодняшняя энергетика базировалась на

угле, то выбросы СО, составляли бы 20 млрд. тонн в год (сейчас они близки к

6 млрд. т/год). Это тот предел, за которым прогнозируются такие изменения

климата, которые обусловят катастрофические последствия для биосферы.

Экологические проблемы гидроэнергетики

Одно из важнейших воздействий гидроэнергетики связано с отчуждением

значительных площадей плодородных (пойменных) земель под водохранилища. В России, где за счет использования гидроресурсов производится не более 20% электрической энергии, при строительстве ГЭС затоплено не менее 6 млн. га. земель. На их месте уничтожены естественные экосистемы.

Значительные площади земель вблизи водохранилищ испытывают подтопление в результате повышения уровня грунтовых вод. Эти земли, как правило, переходят в категорию заболоченных. В равнинных условиях подтопленные земли могут составлять 10% и более от затопленных. Уничтожение земель и свойственных им экосистем происходит также в результате их разрушения водой (абразии) при формировании береговой линии. Абразионные процессы обычно продолжаются десятилетиями, имеют следствием переработку больших масс почвогрунтов, загрязнение вод, заиление водохранилищ. Таким образом, со строительством водохранилищ связано резкое нарушение гидрологического режима рек, свойственных им экосистем и видового состава гидробионтов. Так, Волга практически на всем протяжении (от истоков до Волгограда) превращена в непрерывную систему водохранилищ.

Ухудшение качества воды в водохранилищах происходит по различным

причинам. В них резко увеличивается количество органических веществ как за

счет ушедших под воду экосистем (древесина, другие растительные остатки,

гумус почв и т. п.), так и вследствие их накопления в результате замедленного водообмена. Это своего рода отстойники и аккумуляторы веществ, поступающих с водосборов.

В водохранилищах резко усиливается прогревание вод, что интенсифицирует

потерю ими кислорода и другие процессы, обусловливаемые тепловым

загрязнением. Последнее, совместно с накоплением биогенных веществ, создает условия для зарастания водоемов и интенсивного развития водорослей, в том числе и ядовитых синезеленых (цианей). По этим причинам, а также вследствие медленной обновляемости вод резко снижается их способность к самоочищению.

Ухудшение качества воды ведет к гибели многих ее обитателей. Возрастает заболеваемость рыбного стада, особенно поражение гельминтами. Снижаются вкусовые качества обитателей водной среды.

Нарушаются пути миграции рыб, идет разрушение кормовых угодий, нерестилищ и т. п. Волга во многом потеряла свое значение как нерестилище

для осетровых Каспия после строительства на ней каскада ГЭС.

В конечном счете перекрытые водохранилищами речные системы из

транзитных превращаются в транзитноаккумулятивные. Кроме биогенных веществ, здесь аккумулируются тяжелые металлы, радиоактивные элементы и многие ядохимикаты с длительным периодом жизни. Продукты аккумуляции делают проблематичным возможность использования территорий, занимаемых

водохранилищами, после их ликвидации. Имеются данные, что в результате

заиления равнинные водохранилища теряют свою ценность как энергетические объекты через 50-100 лет после их строительства.

Водохранилища оказывают заметное влияние на атмосферные процессы.

Например, в засушливых (аридных) районах, испарение с поверхности

водохранилищ превышает испарение с равновеликой поверхности суши в десятки раз. Только с каскада Волжско-Камских водохранилищ ежегодно испаряется около 6 км3. Это примерно 2-3 годовые нормы потребления воды Москвой. С повышенным испарением связано понижение температуры воздуха, увеличение туманных явлений. Различие тепловых балансов водохранилищ и прилегающей суши обусловливает формирование местных ветров типа бризов. Эти, а также другие явления имеют следствием смену экосистем (не всегда положительную), изменение погоды. В ряде случаев в зоне водохранилищ приходится менять направление сельского хозяйства. Например, в южных районах нашей страны некоторые теплолюбивые культуры (бахчевые) не успевают вызревать, повышается заболеваемость растений, ухудшается качество продукции.

Издержки гидростроительства для среды заметно меньше в горных районах,

где водохранилища обычно невелики по площади. Однако в сейсмоопасных горных районах водохранилища могут провоцировать землетрясения. Увеличивается вероятность оползневых явлений и вероятность катастроф в результате возможного разрушения плотин. Так, в 1960 г. в Индии (штат Гунжарат) в результате прорыва плотины вода унесла 15 тысяч жизней людей.

Несмотря на относительную дешевизну энергии, получаемой за счет гидроресурсов, доля их в энергетическом балансе постепенно уменьшается. Это связано как с исчерпанием наиболее дешевых ресурсов, так и с большой территориальной емкостью равнинных водохранилищ. Считается, что в перспективе мировое производство энергии на ГЭС не будет превышать 5% от общей.

Экологические проблемы ядерной энергетики

Ядерная энергетика до недавнего времени рассматривалась как наиболее

перспективная. Это связано как с относительно большими запасами ядерного

топлива, так и со щадящим воздействием на среду. К преимуществам относится также возможность строительства АЭС, не привязываясь к месторождениям ресурсов, поскольку их транспортировка не требует существенных затрат в связи с малыми объемами. Достаточно отметить, что 0,5 кг ядерного топлива позволяет получать столько же энергии, сколько сжигание 1000 тонн каменного угля.

До середины 80-х годов человечество в ядерной энергетике видело один из

выходов из энергетического тупика. Только за 20 лет (с середины 60-х до

середины 80-х годов) мировая доля энергетики, получаемой на АЭС, возросла

практически с нулевых значений до 15-17%, а в ряде стран она стала

превалирующей. Ни один другой вид энергетики не имел таких темпов роста. До недавнего времени основные экологические проблемы АЭС связывались с захоронением отработанного топлива, а также с ликвидацией самих АЭС после окончания допустимых сроков эксплуатации. Имеются данные, что стоимость таких ликвидационных работ составляет от 1/6 до 1/3 от стоимости самих АЭС.

При нормальной работе АЭС выбросы радиоактивных элементов в среду

крайне незначительны. В среднем они в 2-4 раза меньше, чем от ТЭС

одинаковой мощности.

К маю 1986г. 400 энергоблоков, работавших в мире и дававших более 17%

электроэнергии, увеличили природный фон радиоактивности не более чем на

0,02%. До Чернобыльской катастрофы в нашей стране никакая отрасль

производства не имела меньшего уровня производственного травматизма, чем

АЭС. За 30 лет до трагедии при авариях, и то по нерадиационным причинам,

погибло 17 человек. После 1986 г. главную экологическую опасность АЭС стали связывать с возможностью аварий. Хотя вероятность их на современных АЭС и невелика, но она и не исключается. К наиболее крупным авариям такого плана относится случившаяся на четвертом блоке Чернобыльской АЭС.

По различным данным, суммарный выброс продуктов деления от содержащихся в реакторе составил от 3,5% (63 кг) до 28% (50 т). Для сравнения отметим, что бомба, сброшенная на Хиросиму, дала только 740 г радиоактивного вещества.

В результате аварии на Чернобыльской АЭС радиоактивному загрязнению

подверглась территория в радиусе более 2 тыс. км, охватившая более 20

государств. Вследствие аварии погиб 31 человек и более 200 человек получили дозу радиации, приведшую к лучевой болезни. 115 тыс. человек было эвакуировано из наиболее опасной (30-километровой) зоны сразу после аварии. Число жертв и количество эвакуированных жителей увеличивается, расширяется зона загрязнения в результате перемещения радиоактивных веществ ветром, при пожарах, с транспортом и т. п. Последствия аварии будут сказываться на жизни нескольких поколений.

После аварии на Чернобыльской АЭС отдельные страны приняли решение о

полном запрете на строительство АЭС. В их числе Швеция, Италия, Бразилия,

Мексика. Швеция, кроме того, объявила о намерении демонтировать все

действующие реакторы (их 12), хотя они и давали около 45% всей

Выдержки, где за несколько лет существенно снижается радиоактивность и тепловыделение. Захоронение обычно проводится на глубинах не менее 500-600 шурфах. Последние располагаются друг от друга на таком расстоянии, чтобы исключалась возможность атомных реакций.

Неизбежный результат работы АЭС - тепловое загрязнение. На единицу

электроэнергии на ТЭС дает 1,5 КМ3 подогретых вод, на АЭС такой же

мощности объем подогретых вод достигает 3-3,5 км3.

В целом можно назвать следующие воздействия АЭС на среду:

Изъятие земель под строительство самих АЭС. Особенно значительные территории отчуждаются под строительство сооружений для подачи, отвода и охлаждения подогретых вод. Для электростанции мощностью 1000 МВт требуется пруд-охладитель площадью около 800-900 га. Пруды могут заменяться гигантскими градирнями с диаметром у основания 100-120 м и высотой, равной 40-этажному зданию;

Заключение

Рассмотренные виды энергетики в настоящее время являются основными в энергетическом балансе. Экологические проблемы, связанные с их деятельностью, являются неотъемлемой частью современного общества. Избежать эти проблемы на сегодняшний день невозможно. Мы можем только стараться минимализировать негативные воздействия на окружающую среду.

В этой связи важно внедрять альтернативные источники энергии, которые бы могли взять на себя хотя бы какую-то долю по выработке энергии. К таким источникам относится энергия солнца, ветра, вод, термоядерного синтеза и других источников.

Список литературы

1. Справочник по наилучшим доступным техническим методам в теплоэлектроэнергетике. - М., 2008г.

2. Елизаров Д.П. «Тепло-энергетические установки электростанций». - М., 1982г.

3. Акимова Т. А., Кузьмин А.П. «Экология. Природа-Человек-Техника». - М., 2001г.

Энергетика и экология россии. Проблемы энергетики Экологические проблемы связанные с энергией

Влияние на водные ресурсы

Истощение, загрязнение

Как получить энергию без вреда для экологии

Альтернативная энергетика и экология: факты

«Энергия будущего»

Необычный источник энергии - фотосинтез

Экологические проблемы энергетики

Экологические проблемы тепловой энергетики

4. Экологические проблемы ядерной энергетики

Восстановление пароля