Антропогенное энергопотребление как критерий устойчивости биосферы 2 страница

Для последовательного перехода Российской Федерации к устойчивому развитию Указом Президента РФ от 1 апреля 1996 г. №440 утверждена "Концепция перехода Российской Федерации к устойчивому развитию". Проект государственной стратегии состоит из 11 разделов, затрагивающих важнейшие направления перехода России к устойчивому развитию, и включает различные аспекты производственной, экономической, социальной и экологической деятельности. Основными направлениями перехода России к устойчивому развитию были приняты следующие:

– создание правовой основы перехода;

– разработка системы стимулирования экологически безопасной хозяйственной деятельности;

– оценка антропотолерантности экосистем страны и определение предельно допустимого на них воздействия;

– разработка систем охраны, поддержки и восстановления нарушенных компонентов биосферы и окружающей природной среды в целом;

– формирование эффективной системы организации устойчивого развития, включая систему обучения, просвещения и воспитания.

Совершить переход к новому типу взаимоотношений в мире, к новому характеру производства и потребления человечество сможет только в том случае, если все слои общества во всех странах осознают безусловную необходимость такого перехода и будут ему всемерно содействовать. Переход к устойчивому развитию требует безусловного искоренения стереотипов мышления, пренебрегающих ограничениями возможностей биосферы. Однако именно эта задача выработки нового общепланетарного сознания является самой сложной. Прежде всего она требует общего экологического образования населения планеты.

4. ГЛОБАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

4.1. Воздействия человека на окружающую среду

и их глобальные последствия

Воздействие человека на окружающую природную среду может рассматриваться в разных аспектах в зависимости от цели изучения этого вопроса. С точки зрения экологиипредставляет интерес рассмотрение воздействия человека на экологические системы под углом зрения соответствия или противоречия действий человека объективным законам функционирования природных экосистем. Исходя из взгляда на биосферу как глобальную экосистему, все многообразие видов деятельности человека в биосфере приводит к изменениям: состава биосферы, круговоротов и баланса слагающих ее веществ; энергетического баланса биосферы; биоты. Направленность и степень этих изменений таковы, что самим человеком им дано название экологического кризиса. Современный экологический кризис связан с огромным рядом экологических проблем, далеко не полный перечень которых представлен ниже (по Н.Ф.Реймерсу, с уточнениями и добавлениями).

1. Изменение климата Земли в результате естественных геологических процессов, усиленных тепличным эффектом, вызываемым изменениями оптических свойств атмосферы выбросами в нее главным образом СО, СО₂, других газов.

2. Замусоривание околоземного космического пространства, последствия которого до конца пока не осмыслены.

3. Сокращение мощности стратосферного озонового экрана с образованием так называемых “озоновых дыр”, снижающих защитные возможности атмосферы против поступления к поверхности Земли опасной для живых организмов жесткой коротковолновой ультрафиолетовой радиации.

4. Химическое загрязнение атмосферы веществами, способствующими образованию кислотных осадков, фотохимического смога и других соединений, опасных для биосферных объектов, включая человека и создаваемых им искусственных объектов.

5. Загрязнение океана и изменение свойств океанических вод за счет нефтепродуктов, захоронений в океанических водах высокотоксичных химических и радиоактивных веществ, поступлений загрязнений с атмосферными осадками и речным стоком, нарушения водного баланса прибрежных территорий в связи с регулирования рек.

6. Истощение и загрязнение всех видов источников и вод суши.

7. Радиоактивное загрязнение отдельных участков и регионов с характерной тенденцией распространения данного вида загрязнения по поверхности Земли.

8. Загрязнение почв вследствие выпадения загрязненных осадков (например, кислотных дождей), неоптимального использования пестицидов и минеральных удобрений.

9. Изменение геохимии ландшафтов, в связи с теплоэнергетикой, перераспределением элементов между недрами и поверхностью Земли в результате горнометаллургического передела (например, концентрация тяжелых металлов) или извлечения на поверхность аномальных по составу, высокоминерализованных подземных вод и рассолов.

10. Продолжающееся накапливание на поверхности Земли бытового мусора и всякого рода твердых и жидких отходов, в особенности практически неразлагающихся пластмасс.

11. Нарушение глобального и регионального экологического равновесия.

12. Продолжающееся, а местами, усиливающееся опустынивание планеты, углубление процесса опустынивания.

13. Сокращение площади тропических лесов и северной тайги – основных источников поддержания кислородного баланса планеты.

14. Ухудшение или разрушение сред обитания живых организмов в результате всех вышеуказанных процессов; освобождение экологических ниш и заполнение их иными видами; потеря биосферного генофонда вследствие массового, лавинообразного исчезновение видов живого вещества Земли.

15. Изменение размера, энергетической и биогеохимической роли организмов, переформирование пищевых цепей, массовое размножение отдельных видов организмов.

16. Нарушение иерархии экосистем, увеличение системного однообразия на планете.

17. Абсолютное перенаселение Земли и относительное демографическое переуплотнение отдельных регионов, крайняя дифференциация бедности и богатства.

18. Ухудшение среды жизнеобитания в перенаселенных городах и мегаполисах.

19. Исчерпание многих месторождений минерального сырья и постепенный переход от богатых ко все более бедным рудам.

20. Усиление социальной нестабильности как следствие все большей дифференциации богатой и бедной части населения многих стран, возрастания уровня вооруженности их населения, криминализации, природных экологических катаклизмов.

21. Снижение иммунного статуса и состояния здоровья населения многих стран мира, включая Россию, многократное повторение эпидемий, имеющих все более массовый и тяжелый по последствиям характер.

4.2. Нарушение законов функционирования природных экосистем деятельностью человека

Как было рассмотрено выше, структурно биосфера представляет собой совокупность функционально связанных и иерархически соподчиненных отдельностей – экосистем. Такой взгляд на биосферу вытекает из принципа системной целостности – основного принципа современного научного знания. Именно потому, что отдельные составляющие функциональные, а не хаотично структурны, возникает системная целостность. В связи с этим одно из наиболее катастрофичных последствий деятельности человека связано с разрушением структуры экосистем и, следовательно, с разрушением структуры биосферы в целом как системной целостности. Очевидно, что система с нарушенной структурой уже не может выполнять своих прежних функций, поэтому, как правило, разрушение внутренней структуры экосистемы ведет к ее исчезновению с поверхности Земли. Установлено, что если разрушение затрагивает три и более уровней иерархии экосистем, то начинается сначала замедленный, а потом все более ускоряющийся процесс опустынивания – искажаются процессы образования почв, меняется химия среды, исчезают многие виды организмов. Процесс разрушения идет лавинообразно, и остановить его непросто.

Разрушение экосистем сопровождается исчезновением видов. Число разновидностей биологических организмов на нашей планете огромно и по имеющимся оценкам составляет не менее 5 млн (и только 1,5 млн из них подробно описаны). Специалисты утверждают, что в связи с деградацией природной среды ежегодно исчезают 10–15 тыс. разновидностей преимущественно простейших организмов. Это означает, что за будущие пятьдесят лет планета потеряет огромную долю своего биологического разнообразия, формировавшегося сотни миллионов лет. Многие разновидности исчезнут до того, как мы узнаем об их существовании.

Утрата биологического разнообразия происходит, главным образом, из-за разрушения среды обитания, чрезмерной эксплуатации сельскохозяйственных ресурсов, загрязнения окружающей среды, привнесения в сложившиеся экосистемы инородных растений и животных без учета законов их функционирования. Проблема исчезновения видов состоит не просто в том, что их невозможно восстановить, но и в том, что их место займут другие. Сейчас преимущественно исчезают виды с крупными особями, их заменяют виды более мелкие. Земля без лесов, населенная такими видами, будет совсем иной, чем сейчас. Изменятся круговороты всех веществ, газовый состав атмосферы, качество и количество воды в реках, другие условия жизни. Они могут оказаться совершенно не пригодными для существования человека и, в итоге он, возможно, исчезнет как биологический вид.

Существуют определенные закономерности замены экосистем в биосфере и видов в экосистеме при нарушении элементов окружающей среды. Их можно сформулировать следующим образом:

1) освобожденное место в экосистеме никогда не остается пустым;

2) крупные организмы исчезают раньше и их сменяют мелкие;

3) более эволюционно высокоорганизованные виды вытесняются низкоорганизованными, быстрее размножающимися существами;

4) всегда побеждают те, кто быстрее и легче изменяется, в том числе генетически.

Разрушение структуры экосистемы вследствие деятельности человека сопровождается стиранием функциональных границ между экосистемами. Это ведет к нарушению закона системного сепаратизма, который утверждает, что разнокачественные составляющие всегда структурно относительно независимы. Хотя все системы тесно взаимосвязаны, но все же относительно самостоятельны. Так, например, в теле человека есть сердце, печень, легкие, но нет сердце-печени, сердце-легкого и т.п. Отдельные части системы не могут быть беспредельно большими или маленькими, т.к. этому мешают необходимость выполнять определенные функции, а также информационные и энергетические ограничения.

Весь мир построен на законе оптимальности, утверждающем, что никакая система не может бесконечно сужаться или расширяться, она с наибольшей эффективностью функционирует в некоторых характерных для нее пространственно-временных пределах, называемых характерным размером системы. Кроме того что каждая система имеет оптимальные для функционирования размеры, она еще имеет вектор своего развития: развитие, эволюция всегда однонаправлены. При этом фазы развития природной системы могут следовать лишь в эволюционно закрепленном порядке от относительно простого к сложному. Этот закон часто игнорируют, пытаясь, например, вырастить хвойные культуры там, где согласно природной последовательности смены пород им должны предшествовать в сукцессионном развитии другие виды древовидных растений. Иногда такие культуры удается вырастить, но они либо заболевают, либо оказываются столь нежизнестойкими, что погибают от малейших отклонений в условиях среды обитания.

Известно, что любая система оказывает сопротивление воздействию извне, и чем больше интенсивность воздействия, тем сильнее сопротивление. В этом состоит основа принципа Ле Шателье-Брауна, утверждающего, что при внешнем воздействии на систему, находящуюся в фазе устойчивого равновесия, выводящем систему из такого состояния, равновесие смещается в том направлении, при котором эффект внешнего воздействия ослабляется. Этот принцип действует и в биосфере. Однако лишь до тех пор, пока внешнее воздействие не превышает некоторого порогового значения, после чего происходит саморазрушение системы. Установление нового равновесного состояния системы, при котором внешние факторы оказывают меньшее воздействие на экосистему, приводит к изменению самой экосистемы. Когда уже многие экосистемы изменены, меняются и их сочетания, затем по иерархии систем процесс может дойти до биосферы в целом. На сегодняшний день человечество переступило допустимый порог воздействия. Пока еще есть возможность восстановить действие этого принципа, приостановить саморазрушение биосферы. Главным условием для этого является сохранение глобальной биомассы планеты, целостности биоты Земли и экологического равновесия на планете. Выполнение этого условия требует неукоснительного выполнения человечеством двух условий:

1) соблюдения правила одного процента, утверждающего, что если конечное потребление энергии консументами высшего порядка (в т.ч. человеком) в природной системе превышает 1% от чистой первичной продукции, то это выводит систему из равновесного состояния, а затем разрушает;

2) сокращения антропогенного воздействия на биосферу.

4.3. Антропогенное воздействие и загрязнение окружающей среды

4.3.1. Классификация антропогенных воздействий

Под антропогенными воздействиями понимают деятельность, связанную с реализацией экономических, военных, рекреационных, куль­турных и других интересов человека, вносящую физические, химические, биологические и другие изменения в окружающую природную среду. Анализ экологических последствий антропогенных воздействий позволяет разделить все их виды на положительные и отрицательные (негативные).

К положительным воздействиям человека на биосферу можно отнести воспроизводство природных ресурсов, восстановление запасов подземных вод, полезащитное лесоразведение, рекультивацию земель на месте разработок полезных ископаемых и некоторые другие мероприятия.

Отрицательное антропогенное воздействие на окружающую среду– это воздействие любых потоков вещества, энергии и информации, непосредственно образующихся в окружающей среде или планируемых в результате антропогенной деятельности и приводящих к отрицательным изменениям окружающей среды.

Основная часть антропогенных воздействий носит целенаправленный характер, т.е. осуществляется человеком со­знательно для достижения конкретных целей. Существуют и непроизвольные антропогенные воздействия, имеющие характер последействия. Например, к этой категории воздействий относятся процессы подтопления территории, возникающие после ее застройки, и др. Нарушения основных систем жизнеобеспечения биосферы связаны в первую очередь с целенаправленными антропогенными воздействиями. По своей природе, глубине и площади распространения, времени действия и характеру приложения они могут быть различными.

Главнейшим и наиболее распространенным видом отрицательного воздействия человека на биосферу является загрязнение.

Загрязнение окружающей природной среды – это поступление в неё любых твердых, жидких и газообразных веществ, микроорганизмов или энергий (в виде звуков, шумов, излучений) в количествах, вредных для здоровья человека, животных, состояния растений, а также экосистем и биосферы в целом.Загрязнение целиком или частично является результатом человеческой деятельности, прямо или косвенно меняет распределение приходящей энергии, уровни радиации, физико-химические свойства окружающей среды и условия существования живых существ.

По объектам загрязнения различают загрязнение поверхностных и подземных вод, загрязнение атмосферного воздуха, загрязнение почв и т.д. В последние годы актуальными стали и проблемы, связанные с загрязнением околоземного космического пространства.

Весь комплекс загрязнений можно разделить по видам действующих факторов: химическое, физическое и биологическое (табл. 4.1). Кроме того, можно выделить ещё один вид загрязнения – информационное загрязнение, примером которого может служить световое воздействие на городскую флору, способное вызвать нарушение фотопериодических циклов у растений. При этом сам физический фактор (электромагнитное излучение) не является отрицательным. Негативное воздействие оказывает именно продолжительность и цикличность воздействия фактора.

Под видами загрязнений понимают также любые нежелательные для экосистем антропогенные изменения (рис. 4.1):

– ингредиентное (минеральное и органическое) как совокупность веществ, чуждых естественным биогеоценозам (например, бытовые стоки, ядохимикаты, продукты сгорания и т.д.);

– параметрическое, связанное с изменениями качественных параметров окружающей среды (тепловое, шумовое, радиационное, электромагнитное);

– биоценотическое, вызывающее нарушение в составе и структуре популяций живых организмов (перепромысел, направленная интродукция и акклиматизация видов и т. д.);

– стациально-деструкционное (стация – место обитания популяции, деструкция – разрушение), связанное с нарушением и преобразованием ландшафтов и экосистем в процессе природопользования (зарегулирование водотоков, урбанизация, вырубка лесных насаждений и пр.).

По своим масштабам и распространению загрязнение может быть локальным (местным), региональным и глобальным.

Кроме представленных выше классификаций антропогенных воздействий, существуют и другие классификации, основанные на каком-либо выбранном признаке. Ниже приведен ряд примеров классификаций:

– по агрегатному состоянию химических загрязнителей (твердые, жидкие, газообразные, смешанные);

– по продолжительности воздействия (разовые, периодические, постоянные);

– по степени воздействия на природные системы (слабое, сильное, экстремальное, катастрофическое).

Источниками антропогенного загрязнения являются промышленные предприятия (химические, металлургические, целлюлозно-бумажные, строительных материалов и др.), теплоэнергетика, транспорт, сельскохозяйственное производство и другие технологии. Под влиянием урбанизации в наибольшей степени загрязнены территории крупных городов и промышленных агломераций. Природными загрязнителями могут быть пыльные бури, вулканический пепел, селевые потоки и др.

К настоящему времени воздействие человека на биосферу в целом и на отдельные ее компоненты (атмосферу, гидросферу, литосферу и биотические сообщества) достигло беспрецедентных размеров. Современное состояние планеты Земля оценивается как глобальный экологический кризис. С развитием промышленности происходит постоянный рост числа загрязняющих веществ, появляется все больше новых ксенобиотиков (чуждых биосфере веществ), воздействие которых на природные экосистемы непредсказуемо. По данным Всемирной организации здравоохранения, в практике в настоящее время используется до 500 000 химических соединений. При этом около 40 000 обладают весьма вредными для живых организмов свойствами, а 12 000 –токсичны. Наиболее распространенные загрязнители следующие: диоксид серы (с учетом эффектов вымывания диоксида серы из атмосферы и попадания образующихся серной кислоты и сульфатов на растительность, почву и в водоемы); тяжелые металлы (в первую очередь свинец, кадмий, ртуть); некоторые канцерогенные вещества (в частности, бенз(а)пирен); нефть и нефтепродукты в морях в океанах; хлорорганические пестициды; оксид углерода и оксиды азота (в городах); радионуклиды.

Особенно сильно возросли темпы роста ингредиентных и параметрических загрязнителей, причем не только в количественном, но и в качественном отношениях. Негативные тенденции этих воздействий на человека и биоту носят не только выраженный локальный, но и глобальный характер.

4.3.2. Источники и последствия основных воздействий

4.3.2.1. Воздействие на атмосферу

Загрязнение атмосферы может быть естественным (природным) и антропогенным (техногенным).

К естественным источникам загрязнения атмосферы относятся: извержения вулканов, пыльные бури, лесные пожары, пыль космического происхождения, продукты растительного, животного и микробиологического происхождения. Уровень такого загрязнения рассматривается в качестве фонового, который мало изменяется во времени.

Антропогенные источники загрязнения обусловлены хозяйственной деятельностью человека. Главные загрязнители атмосферного воздуха, образующиеся в процессе производственной и иной деятельности человека — диоксид серы (SO₂), оксид углерода (СО) и твердые частицы. На их долю приходится около 98% в общем объеме выбросов вредных веществ. Помимо главных загрязнителей, белее 70 наименований вредных веществ, среди которых – формальдегид, фтористый водород, соединения свинца, аммиак, фенол, бензол, сероуглерод и др. Однако именно концентрации главных загрязнителей (диоксид серы и др.) наиболее часто превышают допустимые уровни во многих городах России. К основным источникам загрязнения атмосферы можно отнести:

– тепловые электростанции и котельные установки, где происходит сжигание горючих ископаемых, которое сопровождается выбросом 5 млрд т углекислого газа в год. В результате этого за 100 лет (1860–1960 гг.) содержание СО₂ увеличилось на 18% (с 0,027 до 0,032%). За последние три десятилетия темпы этих выбросов значительно возросли. Происходят огромные выбросы сернистого газа в результате сжигания угля и мазута:

– металлургические производства (при производстве 1 т стали в атмосферу выбрасывается 40 кг твердых частиц, 30 кг оксидов серы, 50 кг оксида углерода и т.д.);

– химические производства, выбросы которых, имея сравнительно небольшой объем (около 2% всех промышленных выбросов), представляют огромную экологическую опасность вследствие высокой токсичности разнообразных примесей;

– выбросы автотранспорта, значительно увеличившие свое значение во второй половине ХХ в. Эти выбросы содержат бенз(а)пирен, оксиды азота и углерода, соединения свинца;

– выхлопы турбореактивных самолетов с оксидами азота и фторуглеродами, повреждающими озоновый слой Земли;

– загрязнение взвешенными частицами (при измельчении, фасовке, погрузке различных материалов);

– вентиляционные выбросы производственного и бытового происхождения;

– локальное избыточное поступление тепла от антропогенных источников. Признаком теплового (термического) загрязнения атмосферы служат так называемые термические зоны. Например, остров тепла в городах, потепление водоемов и т.п.

Интенсивное загрязнение атмосферного воздуха отмечается также при добыче и переработке минерального сырья, на нефте- и газоперерабатывающих заводах, при выбросе пыли и газов из подземных горных выработок, при сжигании мусора и горении пород в отвалах (терриконах) и т. д. В сельских районах очагами загрязнения атмосферного воздуха являются животноводческие и птицеводческие фермы, промышленные комплексы по производству мяса, распыление пестицидов и т. д.

По агрегатному состоянию выбросы вредных веществ в атмосферу классифицируются на: газообразные (диоксид серы, оксиды азота, оксид углерода, углеводороды и др.); жидкие (кислоты, щелочи, растворы солей и др.); твердые (канцерогенные вещества, свинец и его соединения, органическая и неорганическая пыль, сажа, смолистые вещества и прочие).

В зависимости от масштабов распространения выделяют различные типы загрязнения атмосферы: местное, региональное и глобальное. Местное загрязнение характеризуется повышенным содержанием загрязняющих веществ на небольших территориях (город, промышленный район, сельскохозяйственная зона и др.). При региональном загрязнении пространства в сферу негативного воздействия вовлекаются значительные пространства. Глобальное загрязнение связано с изменением состояния атмосферы в целом.

К важнейшим экологическим последствиям глобального загрязнения атмосферы относятся:

1) Возможное потепление климата (“парниковый эффект”). В настоящее время наблюдаемое изменение климата, которое выражается в постепенном повышении среднегодовой температуры, начиная со второй половины прошлого века, большинство ученых связывают с накоплениями в атмосфере так называемых “парниковых газов” – диоксида углерода (СО₂), метана (СН₄), хлорфторуглеродов (фреонов), озона (О₃), оксидов азота и др. Парниковые газы, и в первую очередьСО₂, препятствуют длинноволновому тепловому излучению с поверхности Земли. Следствием увеличения концентраций этих газов, создающих “парниковый эффект”, является рост средней глобальной температуры воздуха у земной поверхности. За последние 100 лет наиболее теплыми были 1980, 1981,1983, 1987 и 1988 гг. В 1988 г. среднегодовая температура оказалась на 0,4⁰С выше, чем в 1950—1980 гг. Расчеты некоторых ученых показывают, что в 2005 г. она будет на 1,3 °С больше, чем в 1950—1980 гг. В докладе, подготовленном под эгидой ООН международной группой по проблемам климатических изменений, утверждается, что к 2100 г. температура на Земле увеличится на 2—4 градуса. Масштабы потепления за этот относительно короткий срок будут сопоставимы с потеплением, произошедшим на Земле после ледникового периода, а значит, экологические последствия могут быть катастрофическими. В первую очередь это связано с предполагаемым повышением уровня Мирового океана вследствие таяния полярных льдов, сокращения площадей горного оледенения и т. д. Моделируя экологические последствия повышения уровня океана всего лишь на 0,5—2,0 м к концу XXI в., ученые установили, что это неизбежно приведет к нарушению климатического равновесия, затоплению приморских равнин в более чем 30 странах, деградации многолетнемерзлых пород, заболачиванию обширных территорий и к другим неблагоприятным последствиям.

2) Нарушение озонового слоя, который охватывает весь земной шар и располагается на высотах от 10 до 50 км с максимальной концентрацией озона на высоте 20—25 км. Впервые истощение озонового слоя привлекло внимание широкой общественности в 1985 г., когда над Антарктидой было обнаружено пространство с пониженным (до 50%) содержанием озона, получившее название “озоновой дыры”. С тех пор результаты измерений подтверждают повсеместное уменьшение озонового слоя практически на всей планете. В настоящее время истощение озонового слоя признано все­ми как серьезная угроза глобальной экологической безопасности. Снижение концентрации озона ослабляет способность атмосферы защищать все живое на Земле от жесткого ультрафиолетового излучения. Наука еще до конца не установила, каковы же основные процессы, нарушающие озоновый слой. Предполагается как естественное, так и антропогенное происхождение “озоновых дыр”. Последнее, по мнению большинства ученых, более вероятно и связано с повышенным содержанием хлорфторуглеродов (фреонов). Фреоны широко применяются в промышленном производстве и в быту (хладоагрегаты, растворители, распылители, аэрозольные упаковки и др.). Поднимаясь в атмосферу, фреоны разлагаются с выделением оксида хлора, губительно действующего на молекулы озона.