XXV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Зелёные лёгкие планеты: сколько людей могут быть обеспечены кислородом в ЖК «Новое Тушино»?

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Монахова М.Р. 1

---

1МБОУ СОШ «Мозаика»

Ульянова Г.П. 1

---

1МБОУ СОШ «Мозаика»

Работа в формате PDF

1.5 MB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность

В современном мире забота об экологии становится одной из важнейших задач человечества. Деревья играют ключевую роль в поддержании жизни на планете, так как они выделяют кислород — необходимый элемент для дыхания человека и животных. Однако в условиях урбанизации количество зелёных насаждений сокращается, что негативно сказывается на качестве воздуха и здоровье людей. Изучение количества деревьев вокруг жилого комплекса «Новое Тушино» (далее – ЖК «Новое Тушино»), в котором я живу, и их вклада в производство кислорода поможет понять, насколько зелёные насаждения важны для нашего ближайшего окружения и как они могут обеспечить кислородом людей.

Цель проекта

Определить количество деревьев в ЖК «Новое Тушино», рассчитать, сколько кислорода они вырабатывают в год, и оценить, на сколько человек хватит этого кислорода. Проанализировать, сколько кислорода поглощают автомобили, находящиеся в районе ЖК «Новое Тушино».

Задачи

1. Провести учёт деревьев в радиусе моей школы «Мозайка» (здесь и далее – школа «Мозайка»), расположенной в районе ЖК «Новое Тушино»;

2. Провести учёт деревьев во дворах ЖК «Новое Тушино»;

3. Определить среднюю годовую продуктивность деревьев по выделению кислорода;

4. Рассчитать общий объём кислорода, вырабатываемого деревьями за год;

5. Оценить, сколько людей может обеспечить кислородом данное количество деревьев;

6. Оценить, сколько кислорода поглощают автомобили жителей ЖК «Новое Тушино».

7. Установить соответствие показателей объёма выделяемого кислорода растениями в районе ЖК «Новое Тушино» к общему значению кислорода, поглощаемого автомобилями жителей ЖК «Новое Тушино».

Гипотеза

Деревья, растущие на территории ЖК «Новое Тушино», вырабатывают недостаточное количество кислорода, чтобы обеспечить дыхание значительного количества людей.

Объект исследования

Деревья, расположенные в ЖК «Новое Тушино».

Предмет исследования

Количество кислорода, выделяемого деревьями в ЖК «Новое Тушино», и его потенциал для обеспечения кислородом людей.

Методы исследования

• Полевое наблюдение и учёт — определение количества и видов деревьев, количества автомобилей.

• Использование научных данных и формул, статистических данных для расчёта выделения кислорода одним деревом, количества жителей ЖК «Новое Тушино», количества автомобилей.

• Расчёты и анализ общего объёма кислорода, произведённого деревьями, и перевод этого объёма в количество людей, которые могут быть обеспечены кислородом.

Данный проект позволит не только оценить экологическую значимость зелёных насаждений в ЖК «Новое Тушино», но и повысить экологическую грамотность местного сообщества, стимулируя инициативы по сохранению и увеличению зелёных зон.

ГЛАВА 1. РОЛЬ ЗЕЛЁНЫХ НАСАЖДЕНИЙ В ОБЕСПЕЧЕНИИ КИСЛОРОДОМ

1.1. Зелёные растения как «лёгкие планеты»

Зелёные растения, особенно деревья, играют ключевую роль в поддержании баланса газового состава атмосферы Земли. Благодаря процессу фотосинтеза они поглощают углекислый газ (CO₂)и выделяют кислород (O₂), необходимый для дыхания большинства живых организмов. Именно за эту функцию их часто называют «зелёными лёгкими планеты».

Роль растений в кислородном цикле

Как известно, атмосфера и биосфера - это две основные оболочки Земли, которые взаимодействуют и взаимозависимы. Атмосфера - это воздушная оболочка, окружающая Землю, а биосфера - это совокупность всех живых организмов и их среды обитания, которая включает в себя атмосферы до высоты 25-30 км (до озонового слоя). Живые организмы, прежде всего растения, являются основными регуляторами газового состава биосферы, которая является глобальной экосистемой Земли. Растения создают не только питательные вещества, но и жизненно важный кислород.

Фактически, растения производят до 20% атмосферного кислорода на суше, в то время как остальную часть обеспечивают водоросли и фитопланктон в океанах [2].

Примерный вклад одного взрослого дерева (в зависимости от породы, климата и условий роста, см. рис. 1) в производство кислорода — от 100 до 150 кг в год [7]. Так, два дерева могут обеспечить годовую потребность двух человек в кислороде, исходя из средней суточной нормы ~ 0,75 кг на человека (~ 260–275 кг в год) [9].

Почему именно деревья?

Деревья производят больше кислорода, чем травянистые растения, по нескольким причинам:

• Большая площадь листовой поверхности — чем больше листьев, тем активнее фотосинтез – процесс, включающий в себя поглощение углекислого газа и выделение кислорода, что имеет ключевое значение для поддержания жизни на Земле.

• Длительный жизненный цикл — деревья живут десятки и даже сотни лет, обеспечивая стабильное производство кислорода.

Рисунок 1. Сколько кислорода выделяют разные растения? [2]

Для сравнения:

• 1 гектар леса производит в среднем от 10 до 15 тонн кислорода в год, в зависимости от породы деревьев [8]. То есть, исходя из нормы в 260–275 кг кислорода на человека в год, гектар леса может обеспечить от 36 до 55 человек.

• 1 гектар травы может обеспечить кислородом около 30 человек в год [2].

Кислород и климатическая устойчивость

Выработка кислорода не единственный экологический вклад деревьев. Они одновременно:

• Поглощают CO₂, тем самым борясь с парниковым эффектом (см. рис. 2).

• Увлажняют воздух, что влияет на локальный климат.

• Защищают почву от эрозии.

• Уменьшают уровень пыли и загрязняющих веществ.

Все эти функции усиливают значение деревьев как регуляторов атмосферы и климата.

Рисунок 2. Сколько углекислого газа поглощают разные растения? [7]

1.2. Процесс фотосинтеза и выработки кислорода

В 1842 году Роберт Майер на основании закона сохранения энергии пришел к выводу о том, что растения преобразуют энергию солнечного света в энергию химических связей. В 1877 году Вильгельм Пфеффер назвал этот процесс фотосинтезом.

Фотосинтез — это сложный биохимический процесс, с помощью которого зелёные растения, водоросли и некоторые бактерии преобразуют солнечную энергию в химическую, создавая органические вещества из неорганических соединений. При этом в атмосферу выделяется кислород, необходимый для дыхания большинства живых организмов.

Суть процесса

Фотосинтез осуществляется в специализированных структурах клеток — хлоропластах, которые содержат зелёный пигмент хлорофилл. Он поглощает солнечный свет, активируя химические реакции.

Фотосинтез — основа энергетического потока в биосфере: он обеспечивает не только образование органических веществ, но и насыщение атмосферы кислородом.

Эффективность фотосинтеза

Эффективность фотосинтеза зависит от ряда факторов:

• Интенсивность освещения — чем больше солнечного света, тем активнее идёт процесс.

• Температура воздуха — оптимальный диапазон для большинства растений: от +20 до +30 °C.

• Уровень CO₂ — при увеличении концентрации углекислого газа фотосинтез ускоряется (до определённого предела).

• Влажность почвы и воздуха — при засухе фотосинтез снижается.

Как отмечалось выше, при благоприятных условиях взрослое дерево может вырабатывать до 120–150 кг кислорода в год.

Связь с дыханием живых организмов

Фотосинтез не просто противоположен дыханию — он поддерживает его возможность. Живые организмы потребляют кислород, вырабатываемый растениями, и выделяют углекислый газ, который затем снова используется зелёными растениями в фотосинтезе. Таким образом, возникает замкнутый газообменный цикл — основа устойчивости жизни на Земле [11].

1.3. Потребность человека в кислороде

Для поддержания жизни человеку необходим постоянный приток кислорода. Без него клетки организма не способны получать энергию, и жизненно важные функции прекращаются уже через несколько минут после остановки дыхания. Количество кислорода, которое человек потребляет за сутки, зависит от возраста, массы тела, уровня физической активности и состояния здоровья.

Сколько кислорода нужно человеку?

Средний взрослый человек в состоянии покоя потребляет примерно 20–30 л кислорода в час, что соответствует 400–500 л в сутки [12].

Если пересчитать это в массу, то выходит около 700–800 г кислорода в сутки. По данным биофизиков, при умеренной физической активности потребление может возрастать до 1 кг в сутки [12].

Для расчётов можно принять среднюю величину: 750 г (0,75 кг) кислорода в сутки на одного взрослого человека.

Таким образом, за год один человек потребляет:

0,75 кг в сутки × 365 дней = 273,75 кг в год. Такое значение мы будем использовать в расчётах далее.

Влияние активности и физиологических факторов

Потребность в кислороде возрастает при:

• Физической нагрузке — при занятиях спортом потребление кислорода может вырасти в 5–7 раз;

• Повышенной температуре тела (например, при болезни);

• У детей — относительно массы тела, дети потребляют больше кислорода, чем взрослые;

• При беременности — потребность в кислороде возрастает на 10–20%.

Сколько деревьев нужно, чтобы обеспечить кислородом одного человека?

Если принять, что одно взрослое дерево вырабатывает около 100–150 кг кислорода в год, то:

Число деревьев, необходимых для 1 человека ≈ 2,19 (273,75 кг : 125 кг)

То есть, в среднем 2–3 крупных дерева могут обеспечить годовую потребность одного человека в кислороде.

Важно понимать: это условный расчёт, ведь деревья не производят кислород круглогодично (в умеренном климате — активно только весной и летом; зимой, когда листья падают и световой день становится короче, деревья не производят столько кислорода) и интенсивность фотосинтеза зависит от множества факторов (свет, вода, здоровье дерева и пр.)

ГЛАВА 2. АНАЛИЗ ЗЕЛЁНЫХ НАСАЖДЕНИЙ В ЖК «НОВОЕ ТУШИНО»

2.1. Описание территориальных особенностей

Территория исследования расположена в г. Красногорске Московской области — в центральной части Восточно-Европейской равнины (рис. 3). Рельеф преимущественно равнинный, с высотами от 150 до 250 м над уровнем моря. Регион относится к зоне смешанных лесов, где преобладают берёза, клён, липа, дуб, сосна и ель.

Рисунок 3. Карта г. Красногорска Московской области

Климат

Климат Московской области — умеренно континентальный. Из-за отдалённости территории от крупных водоёмов, отсутствия гор и существенных различий рельефа он характеризуется чётко выраженными сезонами года, холодной зимой и тёплым летом:

• Средняя температура января: –10 °C

• Средняя температура июля: +19 °C

• Годовое количество осадков: 650–700 мм, в основном летом

• Вегетационный период (время активного роста и развития растений): 170–185 дней в году.

Такие условия способствуют активному фотосинтезу растений с конца апреля по начало октября — в этот период идёт наибольшая выработка кислорода.

Почвы и растительность

Преобладающие почвы — дерново-подзолистые, умеренно плодородные, часто суглинистые. Они хорошо удерживают влагу, что благоприятно для древесной растительности [3].

На территориях жилых комплексов и вблизи них могут расти липы, клёны, берёзы, рябины, а также газонная трава и кустарники. Эти растения являются источниками кислорода и важным элементом экологической устойчивости жилых территорий.

2.2. Количественные показатели

Исследование проводилось на территории относительно молодого ЖК «Новое Тушино» 2018 года постройки — вокруг жилых домов по адресам ул. Новотушинская д. 1–6, а также на территории школы «Мозайка» по адресу ул. Новотушинская, д. 9 (рис. 4)

Рисунок 4. Школа «Мозайка»

2.2.1. Анализ зелёных насаждений на территории школы «Мозайка»

На территории школы «Мозайка» удалось насчитать следующее количество зелёных насаждений (подсчет зеленых насаждений осуществлялся посредством прямого наблюдения и визуального осмотра деревьев, кустарников и других растительных элементов на местности):

Таблица 1. Растительность на территории школы «Мозайка»

1. Кустарники

Кустарники в среднем в 4–5 раз меньше деревьев, поэтому, допустим, что один кустарник выделяет от 20 до 30 кг кислорода в год (с учетом того, что одно взрослое дерево вырабатывает около 100–150 кг кислорода в год).

Примем в среднем 25 кг в год на куст.

50 кустарников × 25 кг = 1 250 кг кислорода в год

2. Средние деревья

Среднее дерево (в возрасте 20–30 лет) производит 100–150 кг кислорода в год.
Возьмём среднее значение: 125 кг на дерево.

10 деревьев × 125 кг = 1 250 кг кислорода в год

3. Декоративные ели

Хвойные деревья (ель, сосна, пихта) вырабатывают меньше кислорода, чем лиственные — около 40–60 кг/год, в зависимости от плотности кроны
Примем среднее: 50 кг на ель

10 елей × 50 кг = 500 кг кислорода в год

4. Газонная трава

Общее количество кислорода, выделяемого газонной травой, зависит от площади газона, его плотности и типа трав и иных факторов.

Предположим, что газонная трава при благоприятных условиях, исходя из примерного значения, вырабатывает 0,8 кг кислорода на 1 м² газона в год.

3 000 м² × 0,8 кг = 2 400 кг в год.

Общий итог выработки кислорода на территории школы «Мозайка» составил: 5 400 кг в год (1 250 кг + 1 250 кг + 500 кг + 2 400 кг).

Средняя суточная потребность одного человека, как мы выяснили: 0,75 кг

Годовая: приблизительно 274 кг

5 400 кг : 274 кг ≈ 20 чел.

Таким образом, мы пришли к тому, что растения на территории школы «Мозайка» могут обеспечить кислородом около 20 человек в год.

2.2.2. Анализ зелёных насаждений в жилых зонах ЖК «Новое Тушино»

Всего в ЖК «Новое Тушино» — 6 домов по адресам ул. Новотушинская, д. 1–6. Общее количество жилых дворов — 5 шт. (см. рис. 5 – фото взято из проектной документации жилого комплекса).

Рисунок 5. План ЖК «Новое Тушино»

В рамках этой исследовательской работы был произведён подсчёт зелёных насаждений в одном дворе жилого комплекса (рис. 6, 7) и принят за среднее значение, подсчёты продемонстрированы в таблице:

Таблица 2. Количество зелёных насаждений в жилых зонах ЖК «Новое Тушино»