ТЕХНОГЕНЕЗ И УСТОЙЧИВОСТЬ БИОСФЕРЫ

Техногенная трансформация экосистем

Техногенные характеристики современной биосферы.

Деятельность человека как бы расширила границы биосферы в глубины земной коры, в высоты стратосферы и в космос. В то же время наметилось снижение биосферной активности и массы живого вещества. Человек создает сложные конгломераты многих подсистем, управляемых им и притом не аккумулирующих энергию и биомассу, а расходующих энергию, биомассу и кислород биосферы.

Возникновение множества подсистем и систем техносферы происходило и происходит в границах биосферы. На огромной площади природные экосистемы полностью замещены техногенными системами (табл. 10). Организованного взаимодействия между техносферой и биосферой человеку создать пока не удалось. Большие города, крупные индустриальные предприятия, животноводческие комплексы не только отчуждают и «сжимают» биосферно активную площадь планеты, но и создают опасность из-за огромного количества индустриальных и бытовых отбросов, поступающих в окружающую среду.

Таблица 10

Рост техносферы в XX веке (Т. А. Акимова, А. П. Кузьмин, В. В. Хаскин, 2001)

Показатель

Начало века

Конец века

Энергетическая мощность техносферы, ТВт

1

14

Численность населения, млрд человек

1,6

6,0

Потребление пресной воды, км/год

360

5000

Потребление первичной продукции биоты, %

1

40

Площадь лесопокрытых территорий, млн км2

57,5

50,0

Прирост площади пустынь, млн км2

1,7

Сокращение числа видов, %

-20

Площадь суши, занятая техносферой, %

20

60

Понятие о техногенезе.

На протяжении всей истории общества постоянно возрастала роль антропогенного фактора: охотники и собиратели существовали около 30 тыс. лет назад, земледельцы и скотоводы — 6—8 тыс. лет, земледельцы, скотоводы и ремесленники цивилизаций древности — 3—5 тыс. лет, начало индустриальной эпохи — 0,5 тыс. лет назад. Если на заре жизни человека аккумулятивное воздействие на природу проявлялось в течение десятков тысяч лет (уничтожение крупных животных), то техника тысячекратно сократила период воздействия (мода на слоновую кость, пушнину, страусовые перья вела к быстрому истреблению животных). В хозяйственный оборот вовлекаются ресурсы, не связанные с пищевыми потребностями: минеральные и лесные. Технический прогресс шел с ускорением благодаря успехам наук, и сам способствовал развитию научных знаний.

Геологическую деятельность (совокупность геохимических и геофизических процессов) человека А. Е. Ферсман (1934) назвал техногенезом. В геохимическом аспекте техногенез включает:

  • —извлечение химических элементов из среды (литосферы, атмосферы, гидросферы) и их концентрацию;
  • —перегруппировку химических элементов, изменение химического состава соединений, создание новых химических веществ;
  • —рассеяние вовлеченных в техногенез элементов в окружающей среде.

Рассеяние часто бывает побочным явлением. Есть и преднамеренное рассеивание: внесение удобрений, мелиорантов, орошение сточными водами, ядохимикаты.

Отрицательное последствие техногенеза заключается в загрязнении экосистем.

Процессы техногенеза можно разделить на две группы. Первая унаследована от биосферы, к ней относятся биологический круговорот, круговорот воды, рассеивание элементов при отработке месторождений, распыление веществ и др. Вторая группа находится в резком противоречии с природными условиями. Металлическое состояние Fe, Ni, Cr, V и некоторых других элементов не соответствует физико-химическим условиям земной коры. Человек уменьшает энтропию, тратит много энергии на получение и содержание элементов в свободном состоянии. Изготавливаются соединения, никогда не существовавшие в природе: полимеры, лекарства, краски, сплавы и др. В. И. Вернадский приводит такие цифры: в Античную эпоху человечество использовало 19 элементов, в XVIII в. — 28, в XIX в. — 50, в начале XX в. — 60. В настоящее время используются все 89 элементов, известных в земной коре, также искусственно получены изотопы.

С 60-х гг. XX в. геохимическая деятельность человека не уступает по мощности природным процессам. Человечество извлекает из недр и освобождает при сжигании химические элементы в равном или большем количестве, чем их потребляется растительностью при создании годовой продукции. Добыча из недр Cd превышает фитопотребление более чем в 160 раз, Hg — в 110 раз, РЬ — в 35, As, F — в 15, U — в 6, Sn — в 5, Си — в 4, Мо — в 3 раза. Не меньшее или даже большее количество редких и рассеянных элементов высвобождается при сжигании угля, в результате превышая использование в биологическом круговороте Hg — в 68 700 раз, As — в 125, Cd — в 40, Zr — в 10. Обогащаются техногенными элементами преимущественно наземные экосистемы. Для сравнения разных продуктов производства по геохимическому значению применяется коэффициент ноогенной концентрации:

где i — количество аномальных элементов; С — содержание в данном продукте; N — содержание в биосфере.

Наиболее высокий коэффициент характерен для каменного угля, при его сжигании в экосистемы поступает избыточное количество 25 элементов, в том числе углерод, тяжелые металлы, уран. Ниже коэффициенты у нефти и газа, но и с ними поступает избыточное количество С, N, S, I, Cd и инертных газов — Не, Аг. Велик коэффициент у удобрений (порядка 1000—2000), у фосфорных выше, чем у калийных и азотных. В фосфорных удобрениях много F, Cd, Sr, As, F, Cu, Pb, Hg.

В России наибольшему загрязнению подвергаются экосистемы европейской степной области. Повышенный фон отмечается в Московской области, низкий — в Поволжском и Северо-Западном регионах. Критерии дифференциации экосистем по степени загрязненности в настоящее время весьма субъективны. Исходя из основ учения о биосфере, по-видимому, следует считать незагрязненными на настоящий момент экосистемы, отвечающие следующим критериям (М. А. Глазовская, 1988): —не нарушаются концентрационные, газовые и окислительно-восстановительные (средообразующие) функции живого вещества, регулирующие геохимическое самоочищение системы;

  • —не нарушается биохимический состав продукции настолько, чтобы вызвать нарушение жизненных функций в пищевых цепях;
  • —не понижается биопродуктивность системы;
  • —не нарушается информативность — сохраняется генофонд.

При изменении этих условий происходит техногенная трансформация экосистем, а затем и разрушение.

Об опасности современного уровня загрязнения элементами можно судить по соотношению двух геохимических коэффициентов — био- фильности и технофильности.

Биофильность есть отношение содержания элемента в живом веществе к кларку литосферы. Технофильность — отношение массы ежегодно добываемого человеком элемента к кларку литосферы. Чем больше технофильность элемента и ниже биофильность, тем опаснее для живых организмов загрязнение его соединениями. Наиболее ток- сичены Hg, Cd, F, затем Sb, As, Pb, U, затем Se, Be, Ba, St.

Техногенное загрязнение имеет разные масштабы. Глобальное охватывает весь земной шар, например повышение содержания С02 в атмосфере в результате сжигания угля и нефти, накопление Sr90 после ядерных взрывов и др.

Загрязнения могут распространяться на материки, страны, зоны, области в случаях применения минеральных удобрений, ядохимикатов. Локальные загрязнения связаны с конкретным рудником, заводом, городом.

В результате загрязнения возникают геохимические аномалии в почвах, породах, строениях (литохимические), в водах (гидрогеохимические), в атмосфере (атмогеохимические), в организмах (био- геохимические). Аномалии не всегда оказывают вредное воздействие на экосистемы. Полезными являются повышенное содержание кальция в районах известкования почв, фторирование воды, применение микроудобрений, минеральных подкормок.

Интенсивное изменение физических и геофизических факторов среды произошло только в XX в. Именно с этого времени началось широкое использование электрической, а затем и ядерной энергии, появилось множество разнообразных машин.

Техногенные искусственные магнитные и электромагнитные поля, инфракрасное, видимое, ультрафиолетовое и лазерное излучения, акустические колебания, вибрация, электрический ток охватили практически всю биосферу. Их максимум приходится на селитебные, особенно городские, ландшафты. У большинства этих факторов есть природные аналоги, безопасности жизнедеятельности угрожают те из них, интенсивность воздействия которых существенно отличается от природных. Установлена их связь с ростом травматизма, общей заболеваемостью.

Степень допустимого воздействия указанных факторов на производстве регламентируется санитарными нормами и ГОСТом.

В XX в. мощность техногенного радиоизлучения Земли значительно превзошла ее естественное радиоизлучение и стала самым заметным в Солнечной системе в полосе частот, превышающих 30 МГц (излучение на более низких частотах экранируется ионосферой). Только в США работают более 20 млн передатчиков (А. Н. Дмитриев, 1995).

Волны от ЛЭП могут создавать на определенных силовых линиях магнитного поля Земли «сток» низкоэнергетических частиц. Он образует заметную асимметрию в распределении электронов с энергией 2,5 кэВ над крупными промышленными объектами с развитыми энергетическими сетями (С. И. Климов и др., 2000).

Техногенные физические процессы угрожают состоянию озонового экрана биосферы. Мощнейшим катализатором диссоциации озона является воздействие ионизации и загрязнения верхней атмосферы при запусках искусственных космических объектов (А. К. Муртазов, 2004). С 1945 по 1961 г. в атмосфере взорвано более 400 ядерных зарядов общей мощностью до 550 Мт. В результате в атмосферу было поднято 12 т радиоактивных продуктов, что вызвало сильнейшие геомагнитные возмущения и привело к почти необратимым изменениям в ионосфере, резкому повышению ее радиоактивности. Реальность воздействия таких испытаний на состояние озонового слоя была подтверждена наблюдениями над содержанием озона в начале 60-х гг.

XX в., когда ядерные взрывы проводились регулярно (А. Н. Дмитриев, 1995; А. К. Муртазов, 2004).

Техногенное радиоактивное загрязнение биосферы — один из самых опасных процессов. Даже незначительное повышение радиации сильно влияет на генетический аппарат организмов, в том числе и людей. Количество мутаций во многом определяется суммарной дозой, а не жесткостью и интенсивностью облучения. Поэтому, говоря о радиоактивном загрязнении, в первую очередь имеют в виду не химические особенности элементов, а их радиоактивное излучение. К основным источникам радиоактивного загрязнения относятся: разработка урановых месторождений, перевозка руды и рудных концентратов, обогащение и переработка руд, хранение руд и отходов во временных хранилищах, складирование «пустых» пород при отработке урановых месторождений, исследование ядерных устройств в военных целях (США в войне против Японии), испытание ядерных устройств на военных полигонах (наземные и подземные взрывы), деятельность предприятий ядерно-топлив- ного цикла, использование энергетических ядерных реакторов, аварии на АЭС и реакторах, аварии на подвижных ядерных устройствах (надводных и подводных кораблях, космических аппаратах), использование ряда минеральных удобрений, сжигание углей на ТЭЦ и ГРЭС и др.

Не смотря на прекращение атомных испытаний в атмосфере (с 1963 г.) к настоящему времени суммарный уровень техногенного облучения в РФ составляет около 0,5 мЗв (миллизиверт) в год и приблизился к диапазону среднего уровня естественного облучения (0,3— 0,6 мЗв в год). Ниже представлены источники и средние уровни техногенного облучения в Российской Федерации, мЗв/год:

  • • испытания ящерного оружия — 0,2;
  • • атомная энергетика — 0,001;
  • • медицинское и другое профессиональное облучение — 0,03;
  • • Чернобыльская катастрофа — 3.

Человечество уже потребляет энергию, величину которой можно сравнить с падающей солнечной энергией (табл. 11). И хотя техногенные потоки энергии имеют мощность на два порядка меньше, чем естественные воздействия, их рост проходит практически по экспоненциальному закону (В. Г. Горшков, 1995; Л. В. Лесков, 1996; К. С. Лосев, 2001).

Таблица 11

Интегральные характеристики потоков энергии у земной поверхности (А. К. Муртазов, 2004)

Виды процессов

Мощность

Вт

%

Солнечная радиация

1,8 • 101?

100

Поглощение атмосферой и земной поверхностью

Ю1?

69

Поглощение земной поверхностью

8 • 1016

46

Виды процессов

Мощность

Вт

%

Расход на испарение

4 ? 1016

24

Турбулентные потоки тепла

1016

7

Перенос тепла с экватора к полюсам:

  • — атмосферой
  • — океаном

3 • 1015 2 • 1015

  • 3
  • 2

Поглощение сушей

2 • 1016

13

Испарение:

  • — сушей (эвапотранспирация)
  • — растениями (транспирация)

5 • 1015 3 • 1015

  • 3
  • 2

Диссипация ветровой энергии

2 • 1015

1

Диссипация волновой энергии

1015

0,6

Фотосинтез

1014

0,06

Падение всех осадков (гравитационный)

1014

0,08

Гидроресурсы рек

3 • 1012

2 • Ю-з

Виды возобновимых мощностей (геотермальная, вулканов и гейзеров, приливная, лунного излучения, падающего на Землю)

3 • 1013

0,02

Антропогенное усиление парникового эффекта

1015

0,6

Современное мировое энергопотребление человечества

1,2 • 1013

7 • Ю-з

Мало изучен характер техногенного геофизического воздействия на других обитателей планеты, хотя с ним уже связывают массовые «самоубийства» морских животных, выбрасывающихся на берег.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >