Как классическая экология, так и, тем более, экология как междисциплинарная область знаний, теребуют самой разносторонней подготовки будущих специалистов. Спектр проблем, с которыми приходится сталкиваться экологу, необычайно широк: от систематики организмов до теоретической физики или, если угодно, от математического моделирования до этических норм поведения.
По мнению преподавателей Манчестерского университета Энноса и Бейли (1997), начинающему экологу легко впасть в отчаяние, ощущая постоянный недостаток знаний в той или иной области. Однако не следует этого делать: проблемы, которые на первый взгляд кажутся сложными, при ближайшем рассмотрении могут оказаться достаточно простыми. Это положение можно проиллюстрировать на примере логической задачи:
Логическая задача. Среди девяти внешне совершенно одинаковых монет одна фальшивая – она легче остальных. Используя всего два взвешивания на простых чашечных весах, необходимо обнаружить фальшивую монету.
Решение. Если разделить монеты на три стопки по три монеты в каждой, то будет достаточно двух взвешиваний. Первое взвешивание позволяет определить ту стопку, в которой находится фальшивая монета. Кладём на каждую чашу весов по три монеты и еще три монеты остаются в стороне. Если одна стопка монет, находящихся на весах, легче другой, то в ней содержится и фальшивая монета. Если при взвешивании двух стопок монет наблюдается равновесие, то фальшивая монета находится среди трех оставшихся в стороне. При втором взвешивании легко обнаружить одну фальшивую монету из трех. Кладём на каждую чашу весов по одной монете и ещё одна монета остается в стороне (см. выше).
Эннос и Бейли (1997) пишут: «Зачастую нет необходимости вникать во все детали... Решая повседневные проблемы, мы используем ограниченный набор подходов, точно так же и экологи при решении своих более сложных проблем используют ряд общих приёмов». Они выделяют восемь важнейших навыков, призванных помочь начинающему экологу в будущей профессиональной деятельности:
1) операции с числами и системы единиц;
2) ориентировочная оценка величин;
3) преобразование данных;
4) выявление тенденций;
5) отбор данных;
6) интерпретация статистической информации;
7) разработка программы исследования;
8) принятие решений в случае конфликта интересов.
К этим восьми важнейшим навыкам (исходным экологическим компетенциям) добавляется и девятый – умение представить результаты работы.
Мы будем регулярно обращаться к этим и некоторым другим аналогичным компетенциям на протяжении всего курса обучения, используя принцип «шаг за шагом». Некоторые исходные данные, необходимые для осуществления первого шага, представлены в табл. 3.1.
Таблица 3.1.
Обозначение кратных и дольных единиц
| Приставка | Значение | Символ | Пример |
| Экса | 1018 | Э | 1 Эг (эксаграмм) = 1018 грамм |
| Пэта | 1015 | П | 1 Пг (пэтаграмм) = 1015 грамм |
| Тера | 1012 | Т (Т) | 1 Тг (тераграмм) = 1012 грамм |
| Гига | 109 | Г (G) | 1 Гб (гигабайт) = 109 (миллиард) байт |
| Мега | 106 | М (М) | 1 Мб (мегабайт) = 106 (миллион) байт |
| Кило | 103 | к (k) | 1 кг (килограмм) = 103 (тысяча) грамм |
| Гекто | 102 | г (h) | 1 гвт (гектоватт) = 100 ватт |
| Дека | 101 | да (da) | 1 дал (декалитр) = 10 литров |
| ДОЛЬНЫЕ ЕДИНИЦЫ: | |||
| Деци | 10-1 | д (d) | десятая доля; 1 дециметр = 0,1 м |
| Санти | 10-2 | с (с) | сотая доля; 1 сантиметр = 0,01 м |
| Милли | 10-3 | м (m) | тысячная доля; 1 мм = 0,001 м |
| Микро | 10-6 | мк (м) | миллионная доля; 1 мкм (микрометр) = 10-6 м |
| Нано | 10-9 | н (n) | миллиардная доля; 1 нм (нанометр) = 10-9 м |
| Пико | 10-12 | п (p) | триллионная доля; 1 пф (пикофарада) = 10-12 ф |
Единицы измерения и формулы
Линейные размеры: 1 м = 102 см = 103 мм; 1 км = 103 м; 1 дм = 10 см
Площадь (S): 1 км2 = 100 га; 1 га = 10000 м2; 1 см2 = 100 мм2
Объём (V): 1 м3 = 1000 дм3; 1 дм3 = 1 л; 1 дм3 (л) = 1000 см3 (мл); 1 баррель = 159 л
Масса (m): 1 т = 103 кг = 106 г = 109 мг; 1 ц (центнер) = 100 кг
Плотность (r): 1 г/см3 = 1 кг/дм3 = 1 т/м3
Формулы: m = r · V; V = m/ r; r = m/V
Площадь круга = pR2. Длина окружности = 2pR. p» 3,14
Объём сферы = (4/3)pR3. Объём цилиндра = pR2h
Справочные данные:
Плотность воды = 1,00 г/см3 = 1000 кг/м3
Плотность льда = 0,92 г/см3 = 920 кг/м3
Плотность верхних горизонтов почвы» от 1,0 до 1,4 г/см3
Рассмотрим простые примеры операций с числами, ориентировочной оценки величин и способов преобразования данных.
Пример 1. Загрязнение почвы, растительности и водных объектов часто происходит в результате выпадения из атмосферы мельчайших твёрдых частиц – пыли. Даже в закрытых помещениях (квартирах, офисах) слой пыли способен накопиться за считанные дни. Рассчитайте массу сухой пыли, выпавшей на ровном поле площадью 1 га слоем в 1 мм. Плотность пыли = 1000 кг/м3.
Ваш прогноз (до проведения расчётов): mпыли =.........................................................
Решение. Рассчитаем объём пыли (Vп) на площади (S) 1 га слоем (h) 1 мм:
Vп = S ∙ h
S = 1 га = 10.000 м2; h = 1 мм = 0,001 м; Vп (объём пыли) = 10000 м2 ∙ 0,001 м = 10 м3; масса пыли (mп) = rп ∙ Vп = 1000 кг/м3 ∙ 10 м3 = 10.000 кг = 10 тонн.
Ответ. Масса выпавшей пыли 10.000 кг = 10 т.
Пример 2. Масса накопившегося за зиму на полях снега – это та масса воды, которая весной может пополнить запасы влаги в почве. Рассчитайте массу снега (mсн) на ровном поле площадью (S) 10 га. Средняя мощность (высота) снежного покрова (hсн) = 50 см; плотность снега (r сн) = 0,25 г/см3.
Решение. Рассчитаем объём снега (Vсн.) на поле площадью 10 га:
Vсн. = S ∙ hсн
10 га = 100.000 м2, а 50 см = 0,5 м, тогда
Vсн. = 100 000 м2 ∙ 0,5 м = 50 000 м3.
Плотность снега выразим в т/м3: 0,25 г/см3 = 0,25 ∙ 10-6 т/10-6 м3 = 0,25 т/м3
Масса снега на всём поле: mсн = r сн ∙ Vсн. = 0,25 т/м3 ∙ 50 000 м3 = 12500 т.
Пример 3. Загрязнение снежного покрова может происходить в результате выпадений из атмосферы. Кроме того, падающие снежинки способны сорбировать на своей поверхности содержащиеся в воздухе загрязняющие вещества. Дано: покрытое снегом относительно ровное поле площадью 0,05 км2 вблизи завода. Средняя мощность снежного покрова составляет 400 мм. Определения показали, что среднее содержание свинца в снеге составляет» 200,0 мкг/дм3. Рассчитайте общие запасы свинца (Мсв., кг) в снеге на всём поле.
Решение. 1 км2 = 103 м ∙ 103 м = 106 м2. 400 мм = 0,4 м. Объём снега на поле площадью 0,05 км2 составляет: 0,05 ∙ 106 м2 ∙ 0,4 м = 2 ∙ 104 м3 = 2 ∙ 107 дм3.
Среднее содержание свинца в снеге = 200 мкг/дм3 = 0,2 мг/дм3 = 2 ∙10-4 г/дм3 = 2 ∙10-7 кг/дм3. Мсв. = 2 ∙10-7 кг/дм3 ∙ 2 ∙ 107 дм3 = 4,0 кг.
Ответ. Общие запасы свинца в снеге на этом поле составляют 4,0 кг.
Пример 4. На дежурстве в лыжном походе Вам необходимо приготовить чай для 10 человек из расчёта 500 мл чая каждому. Воду получаем, растапливая снег в большом пятилитровом котелке. Поскольку чистый снег приходится носить издалека, требуется рассчитать необходимое и достаточное количество снега, чтобы не тащить лишний груз и не бегать за снегом несколько раз. Плотность снега (rс) = 0,25 г/см3.
Решение. Для приготовления чая потребуется (Vв) = 10 ∙ 500 мл = 5000 мл воды; найдем массу этой воды (mв): mв = r в ∙ Vв; (r в = 1,0 г/см3; Vв = 5000 мл = 5000 см3);
mв = 1,0 г/см3 ∙ 5000 см3 = 5000 г.
Очевидно, что необходимая для приготовления чая масса жидкой воды должна быть равна массе снега (mс): mс = rс ∙ Vс = 5000 г.
Необходимый объём снега (Vс) = 5000 г/0,25 г/см3 = 20.000 см3 = 20 дм3 = 20 л.
Ответ. Необходимо принести четыре пятилитровых котелка снега.
Пример 5. Задача, аналогичная предыдущей (см. пример 4). Но вместо снега используйте лёд. Кубик льда какого размера (Z см х Z см х Z см) необходимо выпилить в этом случае?
Решение. Очевидно, что необходимая для приготовления чая масса жидкой воды должна быть равна массе льда (mл). mл = rл ∙ Vл = 5000 г. Отсюда необходимый объём льда = 5000 г/0,92 г/см3 = 5435 см3; кубик» 17,6 см х 17,6 см х 17,6 см = 5452 см3.
Ответ. Z» 17,6 см.
Пример 6. Спелость шарообразного арбуза можно определить, зная единственный параметр – максимальный размер окружности арбуза. Известно, что спелые (зрелые) арбузы не тонут в воде, а незрелые – тонут. Оцените спелость шарообразного арбуза, имеющего максимальную длину окружности L = 62,8 см и массу mа = 4,0 кг.
Решение. Очевидно, что арбуз не тонет, если его плотность (rа.) меньше плотности воды (rв = 1,0 г/см3).
Плотность арбуза: rа = mа /Vа. Объём шарообразного арбуза (Vа) = (4/3)pR3. Максимальная длина окружности арбуза L = 2pR = 62,8 см, радиус R = 62,8 см/2p» 10,0 см. Объём арбуза Vа = (4/3) ∙ p ∙ (10см)3» 4186,7 см3.
Плотность арбуза rа» 4000 г/4186,7см3» 0,96 г/см3, что меньше плотности воды. Арбуз спелый.
Ответ. Плотность арбуза 0,96 г/см3, арбуз спелый.
Пример 7. Переведите в другие единицы измерения:
10 т/га = Х г/м2; Х =?
Решение. 10 т = 107 г; 1 га = 104 м2. Х = 107 г/104 м2 = 103 г/м2 = 1000 г/м2.
Ответ: Х = 1000 г/м2.
200 г/м2 = Х т/га; Х =?
Решение. 200 г = 2 ∙ 10-4 т; 1 м2 = 10-4 га. Х = 2 ∙ 10-4 т/10-4 га = 2,0 т/га.
Ответ: Х = 2,0 т/га.
500 кг/м3 = Х г/л; Х =?
Решение. 500 кг = 5 ∙ 105 г; 1 м3 = 103 л. Х = 5 ∙ 105 г/103 л = 500 г/л.
Ответ: Х = 500 г/л.
