Экология


С. Х. Карпенков





                ЭКОЛОГИЯ




            Практикум


Рекомендовано Министерством образования и науки Российской Федерации в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений



    Издание второе, исправленное и дополненное






Москва
2022

УДК 574
ББК 28.08

    К26


Книги автора удостоены премии Правительства Российской Федерации 2007 года в области образования

Рецензенты:
В. А. Шахнов, член-корр. РАН, лауреат Государственной премии СССР и премии Правительства Российской Федерации в области науки и техники, д-р техн. наук, проф., заведующий кафедрой МГТУ им. Н. Э. Баумана;
Б. И. Садовников, лауреат Государственной премии СССР, заведующий отделением физического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова, д-р физ.-мат. наук, проф.

     Карпенков, С. Х.
К26 Экология. Практикум : учеб. пособие / С. Х. Карпенков. — 2-е изд., испр. и доп. — Москва : Директ-Медиа, 2022. — 442 с.: ил.


        ISBN 978-5-4499-2980-8



        Учебное пособие состоит из двух частей. В первую часть включены лабораторный практикум, содержащий описание 14 лабораторных работ, вопросы и темы для обсуждения на семинарских занятиях, тесты для самоконтроля знаний. Во второй части представлены справочные сведения по всем разделам экологии и примерная программа изучаемого курса.
        За основу учебного пособия взят учебник автора «Экология».
        Предназначено для студентов высших учебных заведений.
        Может быть интересно и полезно широкому кругу читателей.


                                                 УДК 574
ББК 28.08




ISBN 978-5-4499-2980-8

  © Карпенков С. Х., текст, 2022
  © Издательство «Директ-Медиа», оформление, 2022

Содержание


Предисловие ко второму изданию ............................ 6
Предисловие к первому изданию.............................. 7

Часть I. ПРАКТИКУМ И СЕМИНАРСКИЕ ЗАНЯТИЯ....................8
  1. Лабораторный практикум.................................8
   1.1. Экспериментальные измерения.........................8
   Общие сведения...........................................8
   Ошибки измерений.........................................9
   Измерительные приборы.................................. 12
   Обработка результатов измерений........................ 15
   Контрольные вопросы.................................... 21
   Задачи................................................. 22


   1.2. Лабораторные работы........................................... 24
    Выполнение и оформление лабораторных работ........................ 24
    Лабораторная работа № 1. Определение линейных размеров. . . 28
    Лабораторная работа № 2. Определение плотности вещества . . 36
    Лабораторная работа № 3. Измерение концентрации кислорода . . 41
    Лабораторная работа № 4. Измерение концентрации диоксида углерода . . 47
    Лабораторная работа  № 5. Измерение концентрации угарного газа . . 52
    Лабораторная работа  № 6. Измерение концентрации   диоксида серы . 56
    Лабораторная работа  № 7. Измерение концентрации  диоксида азота . 62
    Лабораторная работа  № 8. Изучение периодических процессов     .   66
    Лабораторная работа  № 9. Измерение уровня шума............. 79
    Лабораторная работа  № 10. Изучение гравитационного поля .     .   86
    Лабораторная работа  № 11. Изучение магнитного поля Земли      .   93
    Лабораторная работа  № 12. Измерение электромагнитного фона       104
    Лабораторная работа  № 13. Измерение освещенности...........113
    Лабораторная работа  № 14. Измерение радиационного фона .      .  120

   1.3. Компьютерный практикум........................................134


  2. Семинарские занятия...................................141
    2.1. Знания о природе и современный мир................141
    2.2. Развитие цивилизации и пределы роста..............153
    2.3. Фундаментальные знания о природе .................164
    2.4. Организация живой материи.........................177
    2.5. Объекты познания экологии.........................194
    2.6. Народонаселение и природные ресурсы...............212
    2.7. Энергетические ресурсы ...........................233
    2.8. Загрязнение окружающей среды......................247

3

Содержание

   2.9. Глобальные проблемы экологии......................262
   2.10. Гармония природы и человека......................274

Часть II. СПРАВОЧНЫЕ СВЕДЕНИЯ.............................294

  3.  Фундаментальные постоянные и физические величины....294
   3.1. Универсальные физические постоянные...............294
   3.2. Международная система единиц (СИ).................295
   3.3. Приставки и множители кратных и дольных единиц . . . 296
   3.4. Единицы логарифмических единиц....................296
   3.5. Единицы, применяемые в разных областях............296
   3.6. Единицы, применяемые в специальных областях.......297
   3.7. Соотношения единиц СИ и других единиц.............298
   3.8. Неметрические русские единицы.....................298
   3.9. Фундаментальные взаимодействия ...................301

  4.  Пространство и время ...............................301
   4.1. Производные единицы пространства и времени........301
   4.2. Характеристика времени............................302
   4.3. Единицы измерения времени.........................302
   4.4. Счисление времени.................................304
   4.5. Пространственно-временные характеристики..........305

  5.  Объекты микро- и макромира..........................307
   5.1. Химические элементы...............................307
   5.2. Неорганические соединения ........................311
   5.3. Кислоты и их соли.................................312
   5.4. Органические соединения...........................313
   5.5. Свойства материальных объектов....................315
   5.6. Тепловые свойства вещества .......................317
   5.7. Характеристики звука ............................ 323
   5.8. Электрические свойства............................324
   5.9. Электромагнитные и оптические свойства............326
   5.10. Объекты микромира................................328

  6.  Эволюция и структура Вселенной......................331
   6.1. Основные космологические характеристики...........331
   6.2. Млечный Путь......................................332

  7.  Солнечная система...................................333
   7.1. Основные характеристики Солнца....................333
   7.2. Зодиакальные созвездия............................334
   7.3. Атмосфера Солнца..................................335
   7.4. Солнечный ветер...................................335

4

Содержание

8. Планета Земля.........................................336
  8.1. Основные характеристики Земли.....................336
  8.2. Земная кора.......................................336
  8.3. Миненралы.........................................337
  8.4. Части света, материки и океаны....................340
  8.5. Рельеф, пустыни и пещеры..........................341
  8.6. Архипелаги, острова и полуострова.................345
  8.7. Важнейшие моря....................................350
  8.8. Реки, озера и водопады............................353
  8.9. Атмосфера.........................................358
  8.10. Природные катастрофы.............................364

9. Живая природа.........................................368
  9.1. Общая характеристика..............................368
  9.2. Растения и грибы..................................371
  9.3. Животные .........................................378
  9.4. Хордовые..........................................381
  9.5. Млекопитающие.....................................385
  9.6. Приматы ......................................... 389
  9.7. Хромосомы и дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) . . 393
  9.8. Особенности растительного мира....................395
  9.9. Грибы.............................................401
  9.10. Характеристика животных..........................403
  9.11. Домашние животные................................416
  9.12. Некоторые животные Красной книги ................417
  9.13. Вымершие животные ...............................419
  9.14. Охраняемые территории мира.......................419
  9.15. Животные и растения в государственных символах .... 425
  9.16. Национальные птицы...............................426
  9.17. Организм человека................................427

Рабочая программа курса «Экология».......................432
Литература...............................................441

                               Знания, не рожденные опытом, матерью всякой достоверности, бесплодны и полны ошибок.
Леонардо да Винчи

Предисловие ко второму изданию

   Учебники и учебные пособия автора удостоены высокой правительственной награды — премии Правительства Российской федерации в области образования.
   Прошедшие годы после первого издания практикума по экологии показали, что он широко востребован студентами разных вузов, будущими специалистами с высшим образованием.
   Во второе издания практикума внесены исправления и незначительные дополнения.
   Содержание и структура практикума соответствуют базовым книгам автора: «Экология» (в 2-х кн. 2-е изд. М.: Директ-Медиа, 2017), «Концепции современного естествознания. Учебник» (13-е изд. М.: Директ-Медиа, 2018), «Концепции современного естествознания. Справочник» (Высшая школа», 2004).
   Книга предназначена для студентов высших учебных заведений дневной, вечерней и заочной форм обучения разных направлений и специальностей для изучения экологии в бакалавриате и магистратуре. Она интересна и полезна и широкому кругу читателей.


    Москва, 2022 г.


Автор

Предисловие к первому изданию

   В последнее время экология, как наука о взаимодействии объектов живой и неживой материи и его последствиях, все больше и больше отражает практически значимые проблемы, решение которых основывается на многочисленных опытах, включающих измерения концентраций вредных веществ, предельно допустимых уровней шума, электромагнитного излучения и радиационного фона. В этой связи практические знания экологии особенно важны: они позволяют количественно оценить состояние окружающей среды и ее воздействие на живую природу. В основе такой оценки лежат экспериментальные измерения.
   Процесс изучения многих учебных дисциплин, формирующих профессиональные знания, обычно включает две формы аудиторных занятий: лекции и практические занятия. Лекции, как устное систематическое изложение учебного материала, помогают студентам самостоятельно изучить предмет по учебникам и учебным пособиям. Однако такое изучение дает в основном теоретические знания. Знания изучаемого предмета существенно дополняются и углубляются на практических занятиях.
   Опыт показывает, что любой по сложности теоретический материал гораздо легче воспринимается и усваивается на практических занятиях, включающих лабораторный практикум и семинары.
   Предлагаемое учебное пособие содержит описания лабораторных работ, при выполнении которых предоставляется возможность с помощью приборов измерить концентрации некоторых газов, входящих в состав атмосферы, определить уровни шума, электромагнитного и радиационного фона и сравнить их с предельно допустимыми нормами. Практикум включает, кроме того, вопросы и темы для обсуждения на семинарских занятиях, развернутые тесты с разными вариантами ответов и важнейшие справочные сведения по всем разделам изучаемой дисциплины, которым посвящена значительная часть книги.

Москва, 2015 г.

Автор

Ч а с т ь I
ПРАКТИКУМ И СЕМИНАРСКИЕ ЗАНЯТИЯ

1. ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ

1.1. Экспериментальные измерения Общие сведения
  Любому материальному объекту присущи вполне определенные свойства, большинство из которых характеризуется численными величинами. Например, для куска медного провода можно определить следующие величины: диаметр, длину, массу, электропроводность, температурный коэффициент расширения, электрическое сопротивление и др. Некоторые свойства объектов и явления природы труднее поддаются количественному описанию.
  Для определения численного значения какого-либо параметра необходимо знать, во сколько раз оно больше или меньше эталонной величины. Операцию сравнения определяемой величины для исследуемого объекта с соответствующей величиной эталона называют измерением.
  Например, за единицу длины принят эталонный метр — определенное расстояние между штрихами, нанесенными на стержне из особо стойкого сплава. При измерении массы некоторого тела устанавливается, во сколько раз она больше или меньше массы эталонного образца в один килограмм. Разумеется, очень редко пользуются сравнением измеряемых величин с величинами эталонов, хранящихся в государственных метрологических учреждениях. В основном используют различного рода измерительные устройства и приборы, сверенные с эталонами. Это относится в одинаковой мере как к устройствам и приборам для измерения длины (различные линейки, микрометры, измерительные микроскопы и т. п.), так и к измерителям времени, массы, а также к электроизмерительным, оптическим и многим другим приборам.

8

Лабораторный практикум

   Принято различать два вида экспериментальных измерений — прямые и косвенные. При прямом измерении определяемая величина сравнивается с единицей измерения непосредственно при помощи прибора. Измерения длины рулеткой либо штангенциркулем, промежутков времени секундомером, силы тока амперметром и т. п. — все это прямые измерения.
   При косвенном измерении определяемая величина вычисляется по формуле, включающей результаты прямых измерений. К косвенным измерениям относятся, например, определение площади прямоугольника по измеренным двум его сторонам, определение сопротивления участка цепи по силе тока и напряжению, определение концентрации примесей и др.
   Независимо от способа измерения определение той или иной физической величины сопровождается ошибкой, показывающей, насколько искомая величина отличается от ее истинного значения.

Ошибки измерений
   Никакое измерение нельзя выполнить абсолютно точно. Другими словами, при измерении какой-либо величины любым способом абсолютное значение ее недостижимо, а это означает, что результат измерения содержит некоторую погрешность — ошибку измерений. Такой вывод следует из одного из положений теории естественно-научного познания окружающего мира — любое научное знание относительно. Ограниченные возможности измерительных приборов, несовершенство органов чувств, неоднородность
   исследуемых объектов, внешние и внутренние факторы, влияющие на объекты — вот основные причины относительности измеряемой величины.
   Точность измерений возрастает по мере увеличения чувствительности и разрешающей способности измерительных приборов. Однако нельзя получить ошибку измерений меньше ошибки измерительного прибора даже при многократных измерениях. Например, если линейка позволяет измерить длину с относительной ошибкой 0,1 %, что соответствует 1 мм линейки длиной 1 м, то, применяя ее для измерения длины

9

Практикум и семинарские занятия

любых объектов, нельзя определить длину с ошибкой, меньшей 0,1 %. Абсолютное значение какой-либо физической величины является идеальным, недостижимым на практике. Чем точнее поставлен эксперимент, чем совершеннее измерительная техника, тем ближе измеряемая величина к абсолютной. Одна из важных задач экспериментатора — приблизить полученные экспериментальные данные к их абсолютным величинам.
   В зависимости от причин, обусловливающих ошибки, различают систематические, случайные и приборные ошибки. К ним не относятся грубые ошибки, вызванные невниманием при снятии показаний приборов, неправильной записью измеряемых данных, ошибками при вычислениях и т. п. Такие ошибки не подчиняются какому-либо закону и устраняются при промежуточной оценке результатов измерений.
   Систематические ошибки возникают при многократных измерениях и обусловливаются неисправностью приборов, неточностью методов измерений и использованием для расчетов неточных данных. Если, например, стрелка амперметра изогнута или смещен «нуль» прибора, то результаты измерений всегда будут ошибочными. Сколько бы раз ни проводились измерения, как бы тщательно ни записывались показания прибора, в измерениях будет одна и та же ошибка. Для устранения систематической ошибки, вызванной неисправностью прибора, необходимо ввести соответствующие поправки, полученные при сравнении показаний неисправного и исправного приборов. Систематическая ошибка увеличивает или уменьшает результат измерений на одну и ту же величину. Следовательно, даже полное совпадение ряда измеренных величин не является признаком отсутствия систематической ошибки — ее нельзя выявить при повторных измерениях.
   Специфику систематических ошибок, обусловленных методом измерений, можно пояснить на примере определения электрического сопротивления, при котором возникает ошибка, вызванная электрическим сопротивлением соединительных проводов в цепи измерительной схемы. Чтобы ее устранить, нужно ввести поправки на неучтенное сопротивление.

10

Лабораторный практикум

   Для устранения систематических ошибок требуется тщательная проверка всех измерительных приборов и кропотливый анализ методов измерений.
   Случайные ошибки возникают случайно при совокупном действии многих факторов и остаются при устранении грубых и систематических ошибок. Можно назвать многочисленные объективные и субъективные причины случайных ошибок: изменение напряжения в сети при электрических измерениях, неоднородность вещества при определении плотности, изменение условий окружающей среды (температуры, давления) и др. Подобные причины приводят к тому, что несколько измерений одной и той же величины дают различные результаты. К случайным ошибкам относятся и те, причины которых неизвестны или неясны.
   Вследствие непредсказуемых обстоятельств случайные ошибки могут как увеличивать, так и уменьшать значения измеряемой величины. Обычно случайные ошибки не устраняются — их нельзя избежать в каждом из результатов измерений.
   Случайные ошибки описываются теорией вероятностей, с помощью которой можно уменьшить влияние случайных ошибок на результат эксперимента. Широко известен нормальный закон распределения случайных ошибок (закон Гаусса). Из него следуют важные выводы:
   • малые по модулю ошибки появляются чаще;
   •   равные по модулю случайные ошибки разных знаков встречаются одинаково часто;
   •   с увеличением точности (уменьшением интервала разброса измеренных значений) плотность случайных ошибок возрастет.
   Теория случайных ошибок позволяет определить наиболее вероятные значения измеряемых величин и возможные отклонения от них. Однако выводы теории вероятностей справедливы только для достаточно большого числа случайных событий. Поэтому, строго говоря, применение теории случайных ошибок целесообразно только к сравнительно большому числу измерений. На практике же часто ограничиваются

11

Практикум и семинарские занятия

5-10 измерениями, хотя следует помнить, что увеличение числа измерений уменьшает влияние случайных ошибок. В каждом конкретном случае для получения заданной точности устанавливается необходимое число измерений.
   Приборные ошибки обусловливаются конструктивными особенностями измерительных приборов. Приборную ошибку называют точностью измерительного прибора. По величине ошибок, которые могут вносить при измерении электроизмерительные приборы, различают семь классов точности приборов, которые обозначаются цифрами: 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5; 4,0. Цифра класса точности показывает величину относительной ошибки в процентах при отклонении стрелки прибора до последнего деления шкалы. Абсолютная ошибка прибора при любом отклонении стрелки одинакова. Поэтому при меньших отклонениях стрелки относительная ошибка больше. Например, если у прибора класса точности 0,5 вся шкала содержит 150 делений, то относительная ошибка при отклонении на все 150 делений составляет 0,5 %, а абсолютная ошибка равна 0,75 деления. При отклонении стрелки на 25 делений абсолютная ошибка та же — 0,75 деления, а относительная ошибка — 3 %. Для получения возможно меньших относительных ошибок при пользовании измерительными приборами необходимо добиваться большего отклонения стрелки. Для этого нужно выбирать прибор высокой чувствительности или переходить к меньшим пределам измерений многопредельного прибора.

Измерительные приборы
   Большинство приборов для измерения разных физических величин содержит линейные, угловые или круговые шкалы. Показание того или иного прибора соответствует длине отрезков прямой или дуги. Чем точнее прибор, тем больше число делений, на которые разбита шкала. Для одной и той же шкалы с увеличением числа делений расстояние между штрихами уменьшается.
   В некоторых приборах для повышения точности измерений применяют различные приспособления, позволяющие

12

Лабораторный практикум

отсчитывать доли деления шкалы. Наиболее широко распространены нониусы и микрометрические винты. Их обычно применяют в приборах для измерения длины или угла, в которых части прибора перемещаются относительно друг друга. На одной из частей наносится основная шкала, а на другой — нониус, представляющий собой небольшую дополнительную шкалу, передвигающуюся при измерении вдоль основной шкалы. Удобство отсчета с применением нониуса заключается в том, что легче различить, является ли один штрих продолжением другого или они сдвинуты друг относительно друга.
  Иногда для отсчета долей деления применяется специальный циферблат, указатель которого связан с механической передачей. В современных оптических приборах наносятся микроскопические цифры около каждого штриха шкалы, и показания отсчетов снимаются при помощи отсчетного микроскопа, в поле зрения которого видна только одна цифра и дополнительная шкала для отсчета долей деления.
  Для измерения небольших линейных размеров наиболее часто применяются штангенциркуль и микрометр. Размеры от 3 до 5 мм удобно определять измерительным микроскопом.
  Современные технические средства позволяют определить минимальное расстояние, примерно равное 10⁻¹⁸ м. Максимальное расстояние, доступное современным измерениям, составляет около 10²⁶ м (такому расстоянию соответствует радиус космологического горизонта).
  В экспериментальной работе для измерения малых промежутков времени (до 30 мин) часто применяется секундомер. Цена самого мелкого деления секундной шкалы, например, секундомера СМ-60 равна 0,2 с. В настоящее время широко применяются электронные измерители времени с цифровой индикацией.
  В повседневной жизни легко воспринимаются привычные интервалы времени: минута, час, сутки и т. п. В то же время в современном естествознании оперируют и совершенно другими интервалами времени — миллиардами лет при определении возраста Вселенной и ничтожно малыми

13