III Международный конкурс
научно-исследовательских и творческих работ учащихся
«СТАРТ В НАУКЕ»
 
     

«ЭКОЛОГИЯ В МАТЕМАТИЧЕСКИХ РАСЧЕТАХ»
Кусурова А.А.
Автор работы награжден дипломом победителя второй степени
Диплом школьника      Диплом руководителя
Текст научной работы размещён без изображений и формул.
Полная версия научной работы доступна в формате PDF


Введение.

Цель работы:

  1. Выяснить какой вклад вносит математика в экологию.

  2. Показать практическое применение математики в вопросах экологии окружающей среды.

Задачи работы:

  1. Изучить экологические проблемы

  2. Дать количественную оценку состоянию природных объектов и явлений ,положительных и отрицательных последствий деятельности человека.

  3. Раскрыть вопросы о том, что происходит с экологией на нашей планете.

  4. Выполнить практические исследовательские вычисления

Предлагаемая вниманию читателя исследовательская работа посвящена связи между математикой и экологией.

Актуальность и практическая значимость проводимого исследования заключается в том, что экологические проблемы приобрели первостепенное значение в мире,и возникла необходимость вовлечения нас, подрастающего поколения, для их решения.

Владимир Путин подписал Указ о проведении в 2017 году в Российской Федерации Года экологии. В целях привлечения внимания общества к вопросам экологического развития Российской Федерации, сохранения биологического разнообразия и обеспечения экологической безопасности. Математика и экология тесно связаны. Не зря математику называют царицей наук, ведь она применятся во многих дисциплинах, даже там, где, казалось, сложно представить ее применение. Каждый человек любящий свое дело, не требует дополнительных стимулов, чтобы восхищаться оригинальностью решения и его изяществом. Режут слух высказывания некоторых ребят, филологов, артистов, экологов, которые говорят: “Математика нам не нужна. Вот получу оценку в аттестат и забуду математику”. Не тут-то было. Сразу хочется переубедить таких людей, “развернуть” их лицом к математике. Ведь интересен не предмет сам по себе, а исследования окружающего мира посредством этого предмета. Вот таким исследованием взаимоотношений живых организмов между собой и средой их обитания занимается наука экология. Математика в экологии изучает модели экологических объектов и процессов. Экологические процессы моделирует математическая экология. То есть с помощью математики можно предсказать какие изменения произойдут в природе после изменения экологической обстановке.

Глава 1. Экологические проблемы современности.

  1.  
    1. Что происходит с лесами на нашей планете?

Интересно , что настоящее время общая площадь лесов на планете составляет 42 млн.кв.м., из них 45% - леса России.

Примерно 10 тыс. лет назад на земном шаре шумели дремучие леса. Их площадь составляла более 60 млн.кв.м.

В последние годы площади вырубленных и сгоревших лесов в 7 раз превышают площади территорий, где посадили новые деревья.

Каждый год срубаются примерно 400 тыс. кв.м. леса. 125 млн. деревьев вырубается только для производства бумаги.

1.2. Что происходит с фауной и флорой?

С каждым годом на нашей планете становится все меньше и меньше диких животных. С начала 20 века учеными было открыто около 50 видов ранее неизвестных зверей и птиц. Но за это же время полностью исчезли с лица Земли не менее 100 других видов. Кроме того млекопитающих пропало 25 видов.

Люди, не задумываясь о завтрашнем дне, о своем будущем, будущем фауны и всей живой природы, хищнически уничтожали животных.

Каролингский попугай, бескрылая гагарка, луговая курочка, дронт, белокрылая гагарка, - виды птиц, истребленные человеком. Тур, тарпан, зебра квагга, стеллерова корова, - звери, которых мы больше не увидим.

Множество других видов животных и растений находятся на грани исчезновения, поскольку деятельность человека сильно изменяет среду их обитания, лишает источников питания.

Факты:

• за один солнечный день 1 гектар леса поглощает из воздуха 120-280 кг углекислого газа и выделяет 180-200 кг кислорода;

• одно дерево средней величины производит столько кислорода, сколько необходимо для дыхания 3-х человек(2.5 кг в день). Среднему человеку необходимо 0.83 кг кислорода в день;

• один гектар хвойных деревьев задерживает за год 40 тонн пыли, а лиственных - 100 тонн.

Все вышесказанное дает нам возможность сделать следующие выводы: Лес – уникальная экологическая система. Не зря леса называют легкими планеты. Очевидный факт: без лесов на планете не сможет выжить даже сегодняшнее 7-миллиардное население Земли, а что будет завтра, когда население в очередной раз удвоится, а лесов станет в два раза меньше? Сто лет назад леса покрывали три четверти суши. К настоящему времени осталась четверть. Большой ущерб лесам наносят пожары, участившиеся в последнее время: ежегодно во многих странах мира выгорают миллионы км 2 леса. Поэтому мы должны беречь наши леса и сажать деревья.

1.3 Чистый воздух.

Чистый воздух — залог здоровья и не только на улице, но и в помещении, например, в классе. В помещении количество кислорода уменьшается, а углекислого газа увеличивается. По мнению специалистов, в результате деятельности человека в атмосферу Земли ежегодно поступает 25,5 млрд тонн оксидов углерода, 190 млн тонн оксидов серы, 65 млн тонн оксидов азота, 1,4 млн тонн хлорфторуглеродов. В последние годы наибольшее количество вредных веществ в атмосферу выбрасывается с выхлопными газами автомобилей, причем их доля постоянно возрастает.

Автомобиль – главный источник экологических проблем.

Легковому автомобилю для сгорания 1 кг бензина требуется 2,5 кг кислорода. В среднем автомобилист проезжает за год 10 тыс. км. И сжигает 10 т бензина, расходуя 35 т кислорода и, выбрасывая в атмосферу 160 т выхлопных газов.

Каждый автомобиль, стирая шины, ежегодно поставляет в атмосферу 5-8 кг резиновой пыли.

1 га леса поглощает в год минимум 5 т углекислого газа и выделят 10 т кислорода. За 1 час этот участок леса поглощает весь углекислый газ, который выделяют при дыхании 200 человек.

Автомобильный транспорт - один из основных загрязнителей окружающей среды.Я провела расчеты о том, сколько угарного газа выделяют машины на моей улице и не превышает ли это норму. Для исследования я выбрала улицу Коломенская нашего города. Протяженность улицы 820 метров.

Сначала был осуществлен подсчет количества единиц автотранспорта 2-х видов (легковые автомобили, грузовые автомобили ), проезжающих по улице в разное время, а затем произвели все необходимые расчеты.

Длина улицы Коломенская 820 метров

Машины, проезжающие

Легковых автомобилей –120

Грузовых – 10

Среднее число машин, проезжающих по улице Коломенская за 1 день

120- легковых машин

10- грузовых машин

Выброс угарного газа составляет:

Для легкового автомобиля – 2 г/км

Для грузового автомобиля – 10 г/км

Сколько угарного газа выделяет один автомобиль, проезжая по улице Коломенская?

Легковой автомобиль:

2 г/км * 0,82 км = 1,64 г/км

Грузовой автомобиль:

10 г/км * 0,82 км =8,2 г/км

Сколько СО выделяют все автомобили, проезжающие по ул.Коломенская.

1,64 * 120 =196,8г СО выделяют легковые автомобили;

8,2 * 10=82 г СО выделяют грузовые автомобили;

196,8 + 82= 278,8 г угарного газа выделяют все автомобили за один день.

Выделение угарного газа

За неделю: 278,8 * 7 =1951,6г =1,95 кг.

За месяц: 278,8 * 30 = 8364 г =8,4 кг.

За год: 8,4 * 12 =100,8 кг.

Предельно допустимая концентрация СО в воздухе: 0,02 мг/л

В результате проведенного исследования я выяснила, что

1. Угарный газ отрицательно влияет на здоровье человека. Основу выхлопных газов, являющихся вредными для здоровья человека и окружающей среды, составляют – угарный газ, оксиды азота (IV), углеводороды, свинец.

2. Для снижения вредности топлива, необходимо применять водородные двигатели. У них отработанные газы представляют собой пары воды и полностью экологичны. Но эти двигатели, к сожалению, пока не нашли широкого применения.

1.4 Вода.

Каждому ясно, как велика роль воды в жизни нашей планеты и в особенности в существовании биосферы.

Морями и океанами покрыто около 70% земной поверхности, а на пресную воду приходится лишь 2 % всего объема водных запасов планеты.

В среднем в мире каждый городской житель расходует 100 литров воды ежедневно.

Представьте, если каждый человек в день сэкономит хотя бы 1 л. Воды, а в мире проживает примерно 7,3 млрд. человек, значит экономия в день составит 7 300 000 000 литров воды.

Биологическая потребность человека и животных в воде за год в 10 раз превышает их собственную массу. Еще более внушительны бытовые, промышленные и сельскохозяйственные нужды человека. Так, «для производства тонны мыла требуется 2 тонны воды, сахара — 9, изделий из хлопка — 200, стали 250, азотных удобрений или синтетического волокна — 600, зерна — около 1000, бумаги — 1000, синтетического каучука — 2500 тонн воды».

Использованная человеком вода в конечном счете возвращается в природную среду. Но, кроме испарившейся, это уже не чистая вода, а бытовые, промышленные и сельскохозяйственные сточные воды, обычно не очищенные или очищенные недостаточно. Таким образом, происходит загрязнение пресноводных водоемов — рек, озер, суши и прибрежных участков морей.

Все мы используем воду, поэтому на нас лежит и ответственность за ее охрану от загрязнения и экономию. Морями и океанами покрыто около 70 % земной поверхности, а на пресную воду приходится всего лишь 2 % от всего объема водных запасов планеты.

Нормы качества питьевой воды содержатся в специальном документе – Государственном стандарте “Вода питьевая”. Этот стандарт качества устанавливает предельно допустимые уровни содержания химических веществ, встречающихся в природных водах или добавляемых к воде в процессе ее обработки. Так, содержание алюминия не должно превышать 0,5 мг на 1 л воды, бериллия – 0,0002 мг на 1 л, молибдена – 0,25 мг на 1 л, мышьяка – 0,05 мг на 1 л, свинца – 0,03 мг на 1 л, фтора – 0,07 мг на 1 л, полиакриламида – 2 мг на 1 л. Также к группе показателей качества питьевой воды отнесены железо (не более 0,3 мг/л), марганец (не более 0,1 мг/л), медь (не более 0,1 мг/л), полифосфаты (не более 3,5 мг/л), цинк (не более 5 мг/л). Сухой остаток, образующийся после выпаривания воды, не должен превышать 1000 мг/л.

А сколько же нужно человеку воды каждый день? В бытовых целях вода расходуется для питья, приготовления пищи, стирки, мытья, смыва нечистот в канализацию и поливки сада и огорода. Оказалось, что наша семья из 4 человек, расходует в сутки более 322 л воды. Норма расхода на 1 человека в месяц 2,5м3 . 2,5м3X4=10м3.=10000дм3=10000л . 1000л:31день =322л. Это большой объем. Качественно чистой воды на Земле не хватает.

Ученые утверждают, что при использовании современных технологий расходы воды в быту могут быть сокращены на ⅓, в сельском хозяйстве — вдвое, а в промышленности — почти в 10 раз.

Я сравнила две семьи. Одна из которых экономит воду, а другая нет. Все расчеты приведены в таблице.

 

Семья, которая экономит воду.

Семья , которая не экономит воду.

Месяц

Показания счётчика

 

Показания счётчика

 

Ноябрь

304

8

5900

34

Декабрь

309

5

5935

35

Январь

322

13

5968

33

Февраль

335

13

6009

41

Проведенное исследование позволило мне сделать следующий вывод:

Если семья ,которая не экономит воду, сэкономит хотя бы 20% водопроводной воды от того объема, которым обычно пользуется, то за год такое количество воды может образовать озеро диаметром 200 м. и глубиной 2 метра.

1.5 Почва.

Почва обладает плодородием — является наиболее благоприятной средой обитания для подавляющего большинства живых существ . Показательно также, что по их биомассе почва (суша Земли) почти в 700 раз превосходит океан, хотя на долю суши приходится менее 1/3 земной поверхности. Почву часто называют главным богатством любого государства в мире, поскольку на ней и в ней производится около 90% продуктов питания человечества. Деградация почв сопровождается неурожаями и голодом, приводит к бедности государств, а гибель почв может вызвать гибель всего человечества. В нормальных естественных условиях все процессы, происходящие в почве, находятся в равновесии. Но нередко в нарушении равновесного состояния почвы повинен человек. В результате развития хозяйственной деятельности человека происходит загрязнение, изменение состава почвы и даже ее уничтожение. За неделю только наша семья использует более 10 полиэтиленовых пакетов. В нашем селе проживает 200 семьей, если каждая семья использует более 10 полиэтиленовых пакетов, то 200X10 пакет=2000пакет. Для разложения таких пакетов требуется 200 лет. Если мы безрассудно будем выбрасывать сейчас пакеты, то в течение десятков лет почва будет содержать вредные вещества.

Накопление мусора, отравление почвы - экологическая проблема. В среднем ежегодно человек выбрасывает 10 кг мусора.

Около 3,5 млрд т мусора ежегодно образуется в России. Специалисты подсчитали, что если мусор не уничтожать, то через 10-15 лет он покроет нашу Планету слоем толщиной 5 метров.

Большую часть мусора составляют предметы из пластмассы (70%), на втором месте стеклянные и жестяные предметы (25%), и на третьем месте деревянные и бумажные отходы (5%)

  • Я провела расчеты и выяснила ,что моя семья в год выбрасывает 540 бутылок (из-под молока, напитков, растительного масла и т. д.)

  • В Санкт-Петербурге по данным 2017 года – 5 200 000 человек. В среднем в семье 4 человека, тогда: 5 200 000 :4= 1 300 000 семей.

  • Нетрудно подсчитать, что 540*1 300 000=702000000 бутылок.

  • Какую площадь займут 78 000 000 бутылок, если их разложить в ряд?

  • Диаметр одной пластиковой бутылки – 9 см, длина бутылки -32 см, площадь, занимаемая одной бутылкой 9*32=288 кв. см.

Площадь, занимаемая 78 000 000 пластиковыми бутылками: 288*702000000 =202176000000 кв. см=20217600 кв. м

Подводя итоги вышесказанному необходимо отметить следующее:

Почва — важнейший природный ресурс, который при длительном использовании не убавляется, а сохраняется и даже улучшается.

Почву необходимо беречь от разрушения и охранять от загрязнения. Нужно всегда убирать мусор после себя и складывать в специально отведенные для этого места. Большую часть из того, что мы выбрасываем (пластмасса, металл, стекло, бумага) может быть использована повторно.

Глава II Пути решения.

1. Начнем с себя самих - будем выбрасывать мусор только в мусорные баки, урны- «Чисто не там ,где убирают, а там где не сорят!»

2. Чаще будем проводить субботники по уборке территории.

3.Вывесить плакаты с природоохранной темой в лесу, в местах возможного появления свалок.

4.Ликвидация мусора на несанкционированных свалках в пределах города.

5. Бережно относиться к учебникам.

6. Собирать макулатуру.

7.Вернуть природе лес, который был срублен для изготовления наших учебников и тетрадей (высаживать больше деревьев, цветов)

8. Экономить воду

Заключение

Все вышесказанное дает нам возможность сделать следующие выводы :

  • Мое предположение о том, что математика напрямую связана с экологией, подтвердилось.

  • При изучении экологии возникает много вопросов, ответы на которые можно получить при помощи математики.

  • Математика позволяет проводить точные измерения, делать расчеты и подтверждать наблюдения.

Математика создает условия для умения давать количественную оценку состояния природных объектов и явлений, положительных и отрицательных последствий деятельности человека в природе и социальном окружении. Текстовые задачи имеют возможность для раскрытия вопросов о среде обитания, заботы о ней, рациональном природопользовании, восстановлении и приумножении ее природных

Список литературы:

  1. «Я познаю мир. Экология». А.Е. Чижевский –Астрель- 2003г.

  2. «Экология России». Б.М. Миркин-М:АО МДС, Юнисам, 1995,-232с.

  3. «Охрана природы». А.В.Михеев-Просвещение, 2000г.144с.

  4. Энциклопедия для детей. «Математика». – М.: Аванта +, 2003г. – 688с.

  5. Интернет-ресурсы