Экологические последствия ветровой энергетики 4 страница

Продукты пеплогазовых столбов разносятся на многие десят­ки (и сотни) километров, что и определяет степень их влияния на экологическую среду. Частицы пепла при взрыве вулкана Кракатау разносились над Австралией и Европой, будучи причи­нами эколого-синоптических нарушений. Извержение упомяну­того выше вулкана Тамбора в 1815 г. сопровождалось выбросом огромного количества пыли, которое уменьшило количество па­дающего на земную поверхность солнечного света. Уменьшение освещенности имело своим следствием понижение температуры. Резкое ухудшение погодных условий повлияло на посев и сбор урожая зерновых. Это привело к значительному увеличению цен на зерно в следующие годы на зерновых рынках. Понижение тем­пературы имеет своим следствием также увеличение снегопадов

558_______ Гл. 22. Экологические последствия стихийных бедствий____________

в зимний период. Падает выживаемость мелких зверьков и, тем самым, становится меньше пищи для более крупных хищников. Именно этим объясняется снижение популяции рыси спустя два сезона после извержения.

Оползни

С деятельностью подземных и поверхностных вод часто свя­заны разнообразные водно-гравитационные смещения горных пород, развивающиеся на крутых береговых склонах оврагов, долин рек, озер и морей. Среди смещений различаются [36]:

1. Мелкие смещения, захватывающие только поверхностную
часть склона, почвенный слой и часть подстилающей вы­
ветрившейся породы, которые под влиянием сильного пере­
увлажнения атмосферными осадками начинают медленно
передвигаться вниз. Такие смещения называются оплыви-
нами, или сплывами.

2. Крупные смещения земляных масс по склону, захватыва­
ющие различные горные породы, слагающие склон и рас­
пространяющиеся на большую глубину. Такие смещения
называют оползнями.

3. Внезапные обрушения огромных масс горных пород, сопро­
вождающиеся опрокидыванием сорвавшегося массива и его
дроблением, называются обвалами. Наиболее значитель­
ные проявления их наблюдаются в молодых горных рай­
онах. В таких районах вода подготавливает возможность
движения пород, ослабляет в них прочность. Часто внезап­
ность обвала бывает связана с проявлением землетрясений.
Иногда обвалы достигают грандиозных размеров.

Так в 1911 г. на Памире произошел обвал, при котором об­рушилась масса породы в 7-8 млрд т. Возникла естественная плотина высотой свыше 500 м, длиной около 2 км и шириной у основания около 5 км, она запрудила реку Мургаб, и обра­зовалось Сарезское озеро. Его длина около 80 км и глубина около 200 м.

Оползни широко распространены и создают местами угрозу для населенных пунктов, отдельных участков железных дорог и т. п. Крупные оползни вызывают значительные смещения в очертаниях береговых линий. Одним из крупнейших оползневых районов России является Поволжье. Такие города как Ниж­ний Новгород, Васильсурск, Вольск, Саратов, расположенные на

Гл. 22. Экологические последствия стихийных бедствий 559

правом берегу Волги, издавна страдают от оползней, и там за­трачиваются значительные финансовые средства на выполнение противооползневых мероприятий. Катастрофические оползни в Саратове в 1884 г. привели к разрушению около 300 домов. Почти на всем протяжении Волга подмывает свой правый берег. Эта боковая эрозия создает условия для неустойчивости берего­вых склонов. Неустойчивость усугубляется тем, что в ряде мест склоны слагаются чередующимися слоями глин и водоносных песков, что способствует проявлению суффозионных процессов, изменению консистенции глинистых пород и т. п.

При разрушении подножия склонов долин рекой образуются эрозионные оползни, при землетрясениях возникают сейсмоген-ные оползни.

При хозяйственной работе человека в оползневом районе появляются искусственные или антропогенные оползни. Такие оползни встречаются в отдельных местах по долинам рек Дне­пра, Оки, Печоры, Камы, Москвы. В последнее время отмечается рост числа оползней антропогенного происхождения и расширя­ется их география.

Борьба с оползнями — дело сложное. В отдельных случаях прибегают к выполаживанию крутого склона путем срезания верхней его части и придания склону более пологого наклона. Иногда строят у основания склона бетонные подпорные стенки, заглубленные в ненарушенные коренные породы, с засыпкой крупного хорошо фильтрующего песчано-гравийного материала между стенкой и склоном. Назначение такой стенки состоит в перехвате и отводе подземных вод, поступающих со склона. При защите берегов, интенсивно подмываемых рекой или мо­рем, устраивают струенаправляющие дамбы, волноломы. Часто применяются дренажные работы, состоящие в перехвате и от­воде грунтовых вод, служащих увлажнению склона и созданию условий его оползания. Эти мероприятия сводятся к устройству канав для отвода поверхностных вод и подземных галерей, пред­назначенных для перехвата и отвода с угрожаемых участков подземных вод.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие.......................................................................... 3

Введение ................................................................................. 6

Глава 1. Фигура Земли.......................................................... 13

Глава 2. Землетрясения и сейсмология................................ 21

Глава 3. Тепловой режим и возраст Земли.......................... 55

Глава 4. Геомагнетизм...................................................... 60

Глава 5. Литосфера Земли и ее эволюция...................... 97

Глава 6. Вода на Земле........................................................ 111

Глава 7. Изучение Мирового океана......................................... 136

Глава 8. Термодинамика океана.......................................... 154

Глава 9. Динамика океана.................................................... 171

Глава 10. Волны в океане.................................................... 189

Глава 11. Акустика океана .............................................. 236

Глава 12. Структура и состав атмосферы. Внешние фак­
торы ................................................................................... 247

Глава 13. Основы термодинамики атмосферы.......................... 261

Глава 14. Основы динамики атмосферы. Погода и кли­
мат ................................................................................. 271

Глава 15. Верхняя атмосфера, ионосфера и ближний

космос................................................................................. 286

Глава 16. Электромагнитные явления в атмосфере, рас­
пространение электромагнитных волн................................ 308

Глава 17. Основные понятия экологии............................ 323

Глава 18. Глобальный экологический кризис и его моде­
ли .................................................................................. 377

Глава 19. Загрязнения природной среды........................ 397

Глава 20. Проблема глобального потепления.............................. 457

Глава 21. Экологические проблемы энергетики ........... 481

Глава 22. Экологические последствия стихийных бед­
ствий ................................................................................ 524

Список литературы................................................................. 560

ISBN 5-9221-0541-8

© ФИЗМАТЛИТ, 2005 © В И Трухин, К В Показеев, В Е Куницын, 2005

Предисловие

Несмотря на огромные достижения в последние десятилетия в деле проникновения человека в Космос, Земля остается и, видимо, еще долго будет оставаться нашим единственным до­мом, единственной базой для всех мероприятий человечества. Именно Земля еще долго будет основным источником всех ресур­сов, необходимых для жизнедеятельности и жизнеобеспечения, без которых невозможно само существование человечества, его культуры, его дальнейшее развитие. Именно по этой причине так резко повысилось внимание во всех странах к развитию всего комплекса наук о Земле и, едва ли не в первую очередь, геофизики. Во всех передовых странах ассигнования на развитие геофизики за последние годы существенно возросли.

Очевидно, что сохранение жизнеобеспечивающей экологиче­ской обстановки на нашей планете стало проблемой первосте­пенного значения, и в решении этой проблемы геофизика играет одну из ведущих ролей.

Следует подчеркнуть и еще одну важную особенность нашего времени. Мы живем в эпоху, когда острее, чем когда-либо, встал вопрос об обеспечении деятельности и жизни людей природ­ными ресурсами. Необходимые природные ресурсы делятся на возобновляемые и практически невозобновляемые, накопленные на Земле за 4,5 млрд лет ее эволюции. Сейчас многие виды ресурсов близки к исчерпанию хотя бы в смысле их доступности. Уходят в прошлое те времена, когда многие виды ресурсов были относительно легко доступны и использовались без заметного ущерба для самой природы, для существования человечества. Большинство полезных ископаемых сосредоточено в недрах Зем­ли, и естественным путем в первую очередь были израсходованы те из них, которые лежат вблизи земной поверхности. Сейчас мы вынуждены переходить к поискам полезных ископаемых на гораздо больших глубинах, а также на дне морей и океанов Во всех этих случаях геофизические методы становятся ведущими.

Однако роль геофизики не ограничивается только поисками и разведкой полезных ископаемых. Фундаментальная геофизика

Предисловие

является почти единственным источником знаний о внутреннем строении нашей планеты и, в последние годы, таких ее косми­ческих соседей, как Луна, Марс, Венера, все другие планеты и само Солнце. Через изучение самых верхних частей атмосферы и различных физических полей Земли геофизика смыкается с изучением космического пространства.

Огромна роль геофизики в изучении процессов, протекающих в теле Земли начиная с глубин земного ядра и кончая водной и газовой оболочками Земли. Здесь мы подходим к изучению проблем развития, эволюции Земли во времени, эволюции ее вну­треннего строения, самой проблемы происхождения различных оболочек Земли, их взаимодействия. Нет сомнений, что Земля в прошлом имела иное строение, ее современное строение явилось результатом эволюции во времени в результате процессов, проте­кавших и протекающих в теле планеты. Что эти процессы актив­но происходят и в наше время, что Земля — развивающееся тело, мы знаем благодаря проявлению этих процессов вблизи поверх­ности нашей планеты. Деятельность вулканов, землетрясения с очагами на глубине сотен километров, движение земной коры как в наше время, так и в глубоком геологическом прошлом — все свидетельствует об активной жизни нашей планеты, о взаи­модействии ее оболочек, об изменении их состава и функций и о постоянном изменении экологической обстановки.

Все эти изменения в прошлом происходили естественным путем, даже деятельность человека до последнего времени не влияла существенно на ход природных процессов: слишком малы были энергетические возможности человека по сравнению с энер­гетикой основных природных процессов, влияющих на развитие экологической обстановки на Земле в целом и в крупных ее ре­гионах. Но с начала XX века и особенно в последние десятилетия положение стало меняться.

Чудовищное засорение среды обитания, безоглядное истреб­ление всех природных ресурсов, перестройки крупных регионов земной поверхности в процессе хозяйственной деятельности с единственной целью получить максимальную сиюминутную вы­году — могут привести и уже приводят к последствиям, грозя­щим катастрофами.

Даже неизбежная хозяйственная деятельность, как и широ­кое использование ядерной энергии, без должного учета геофи­зического и других факторов грозит бедственными последствия­ми, примеры которых мы уже имели случаи наблюдать. Нечего и говорить о часто предлагаемых новых гигантских проектах,

Предисловие

сулящих огромные выгоды, но влекущих тяжелые последствия, быть может, замедленного действия, но тем более опасные.

Наконец, необходимо отметить огромную роль, которую иг­рает геофизика в решении самых фундаментальных проблем естествознания — проблемы зарождения и развития нашей пла­неты и родственных ей планет, проблемы возникновения, разви­тия и преобразования верхних оболочек Земли: каменной (кора), водной и газовой. Эти оболочки, их свойства, строение, состав, их взаимодействие целиком определяют всю область биосферы, область, где появилась и существует жизнь на Земле. Сейчас уже можно говорить, что органическая жизнь появилась на нашей планете практически одновременно с образованием земной коры, т.е. 3-3,5 млрд лет назад, и вряд ли можно сомневаться, что на ход эволюции биосферы существенное влияние оказывает харак­тер эволюции всех трех оболочек Земли, изменения их состава, строения и взаимодействия.

Нет сомнения, что все эти явления определялись жизнью, развитием всей массы планеты, процессами на всех ее глубинах. Вспомним, что такое важнейшее поле, как магнитное поле пла­неты, в значительной степени определяется свойствами земного ядра и процессами в нем. Таким образом, мы неизбежно прихо­дим к выводу, что недра планеты определяют ход и направление развития ее внешних оболочек. Без изучения глубоких частей земных недр нельзя вскрыть причины основных геотектониче­ских и магматических процессов — процессов, определяющих лик нашей планеты и причины различий между ликом Земли и других планет земной группы. Здесь мы находимся еще в самом начале пути. Достаточно напомнить, что мы еще почти ничего не знаем о природе и причинах возникновения и исчезновения тако­го широко известного явления, как континентальные оледенения Земли, которые неоднократно возникали в течение геологической истории.

Само образование и размещение в земной коре большин­ства полезных ископаемых определяется теми же глубинными процессами, без знания которых будет невозможно планировать поиски необходимых ресурсов. То же относится и к проблемам сейсмической опасности и прогноза землетрясений.

Дальнейшее развитие Земли и ее оболочек будет определять условия жизни на нашей планете. Однако влияние человека на природу становится столь существенным, что необходимо не только учитывать, но и ограничивать это влияние с целью со­хранения нормальной экологической обстановки на Земле.

Введение

По современным представлениям ученых, занимающихся проблемами происхождения и эволюции Космоса, Вселенной, на ранних этапах эволюции Вселенной не было ни планет, ни звезд, ни галактик, ни их скоплений. Была только более или менее однородная водород но-гелиевая плазма. Эти представления базируются не только на теоретических расчетах, но и на наблюдениях и анализе так называемого «реликтового» радиоизлучения Вселенной, которое представляет собой «выродившееся» по причине красного смещения излучение горячей плазмы, сохранившееся с той эпохи, когда никаких звезд и галактик не было. По интенсивности реликтовое излучение соответствует излучению абсолютно черного тела при температуре около 3 К.

Красным смещением называется явление смещения спект­ральных линий далеких галактик в длинноволновую часть спект­ра. Это явление интерпретируется как доплеровский сдвиг часто­ты излучения, возникающий при движении источника излучения от наблюдателя со скоростью, пропорциональной расстоянию. Отсюда возникла гипотеза о расширении Вселенной. Экстрапо­ляция во времени назад приводит к выводу, что расширение Вселенной началось свыше 10 млрд лет назад. Начало расши­рения трактуется как Большой взрыв, сразу после которого и появилось то микроволновое излучение, которое теперь назы­вается реликтовым. В эпоху, когда возникло наблюдаемое сей­час реликтовое излучение, тогдашняя Вселенная была умеренно нагретой (4000 К) плазмой, заключенной в небольшой области, радиус которой составлял около 15 млн световых лет. Это в несколько раз меньше современного расстояния от Солнечной системы до центра скоплений галактик в созвездии Девы, к кото­рому принадлежит и наша Галактика. Современные расстояния до удаленнейших от нас галактик исчисляются многими милли­ардами световых лет. Концентрация частиц в вышеупомянутой «первобытной» плазме была умеренной — около 3000 на 1 см³, и

Введение

все пространство было заполнено равновесным излучением, со­ответствующим температуре 4000 К, химический состав плазмы очень простой: смесь водорода и гелия. Более тяжелых элементов в ней почти не содержалось.

И вот из этой простейшей плазмы в процессе ее дальнейшей эволюции возникло все огромное многообразие наблюдаемой на­ми в настоящее время Вселенной. По-видимому, очень сложным способом, непонятным до сих пор, образовались тяжелые эле­менты, появились частицы сверхвысоких энергий, космические лучи, галактики, очень разнообразные по своим характеристи­кам звезды, планеты и на нашей планете — все многообразие природы и живых существ. Ученые предполагают, что возможно существование живых организмов и на некоторых других плане­тах, обращающихся вокруг других звезд.

О механизме грандиозного фантастического процесса эволю­ции Вселенной, приводящего к ее непрерывному усложнению, можно только строить те или иные предположения. Однако мож­но с уверенностью указать на один принципиальный фактор, с необходимостью вызывающий эволюцию вещества во Вселен­ной, — это так называемая «гравитационная неустойчивость», смысл которой был ясен еще Ньютону, а ее теория была создана в начале XX века известным английским астрономом Джинсом. Сущность неустойчивости состоит в том, что по причине всемир­ного тяготения материя не может быть распределена с посто­янной плотностью в сколь угодно большом объеме. С неизбеж­ностью в силу взаимного притяжения она должна «разбиться» на отдельные конденсации, сгустки. В первоначальной Вселен­ной почти однородная плазма должна была распасться сначала на огромные сгустки, из которых в дальнейшем образовались скопления галактик. Галактики по той же причине разбились на «протогалактики», из которых естественным образом возникли «протозвезды». Образование звезд из «диффузной» межзвезд­ной среды, как установлено, продолжается и в настоящее время.

Возможно, что кроме гравитационной неустойчивости суще­ствуют и другие фундаментальные причины, приводящие к эво­люции материи во Вселенной Эта глубокая проблема требует дальнейшего всестороннего исследования.

Наша Галактика, в которой находится наша крошечная пла­нета Земля, образует только малую часть Вселенной. Солнце и его планетная система расположены во внешней части Галак­тики, представляющей собой дискообразное скопление звезд и межзвездных пыли и газа, видимых нами как Млечный Путь. Среднее расстояние Земли от Солнца 149,6 • 10⁶ км, а средняя

Введение

скорость ее движения по орбите 29,8 км/с. В табл. 1 приведены данные о Солнце и планетах Солнечной системы. Возраст Галак­тики, определенный на основе подсчета содержащихся в метео­ритах радиоактивных протонов урана и тория и продуктов их распада, оценивается в 10 млрд лет. Солнечная система сформи­ровалась приблизительно на 5 млрд лет позже образования Галактики.

Существует два основных класса звезд: звезды главной по­следовательности и гиганты (определяются по диаграмме Герц-шпрунга-Рассела). Солнце является довольно типичной звездой главной последовательности, оно прошло стадию сжатия из меж­звездного вещества свыше 4,5 млрд лет назад.

По современным представлениям планеты и их спутники образовались одновременно с Солнцем при конденсации газо­пылевого Солнечного облака. Это так называемая небулярная гипотеза, высказанная еще Декартом и Кантом и вновь при­влекшая внимание ученых во второй половине XX столетия. Соперничающая с ней группа гипотез связывает образование планет с катастрофическим явлением, например с приближени­ем к Солнцу другой звезды, «вытянувшей» из Солнца газовую струю, впоследствии сконденсировавшуюся в планеты, со взры­вом сверхновой и т. п. Катастрофические гипотезы встречают намного больше трудностей, чем небулярная гипотеза, при объ­яснении последовательности процессов формирования планет, поэтому общепринятой в настоящее время является небулярная. Она хорошо согласуется с современными взглядами на образо­вание звезд и объясняет многие закономерности строения Сол­нечной системы. Наиболее труднообъяснимыми остаются такие факторы, как, во-первых, несоответствие между распределением массы вещества в Солнечной системе (более 99% принадлежит Солнцу) и момента количества движения (98% принадлежит пла­нетам), во-вторых, химическое несоответствие между планетами-гигантами и планетами земной группы и, в-третьих, неполная ясность механизма конденсации.

В настоящее время в рамках небулярной гипотезы первое несоответствие объясняется взаимодействием между магнитным полем Солнца и ионизированным газопылевым облаком, которое может привести к передаче момента во внешние части сжи­мающегося облака. К такому же результату могут привести и эффекты турбулентности в облаке.

Введение

На важность химических данных в теории происхождения Солнечной системы впервые указал Юри. Различные тела Сол­нечной системы образованы в основном тремя группами химиче­ских элементов. Около 90% массы Солнца составляют водород и гелий (I группа), около 1,5% — углерод, азот и кислород (II груп­па) и около 0,25% — магний, железо и кремний (III группа). Пла­неты земной группы (Меркурий, Венера, Земля, Марс) и асте­роиды обладают значительной плотностью и состоят преимуще­ственно из Mg, Fe и Si. Юпитер и Сатурн крупнее земных планет, их состав (в основном Н и Не), возможно, мало отличается от со­става Солнца или первичной околосолнечной туманности. Состав Урана и Нептуна определяется твердыми соединениями элемен­тов II группы: метаном, аммиаком и льдом. Таким образом, во время формирования планет должна была происходить сильная химическая дифференциация. Менее летучие элементы III груп­пы должны были выделиться из облака в окрестностях планет земной группы, когда облако вытягивалось под действием маг­нитных или иных сил. Тогда же водород и гелий, составлявшие свыше 90% всей первоначальной массы облака, интенсивно уле­тучивались в окружающее пространство в окрестностях Юпи­тера и Сатурна. Однако механизм этого «выдувания» неясен.

Можно нижеследующим образом подытожить возможные стадии формирования Солнечной системы.

За счет сил гравитации Солнце сжималось, и поэтому его угловая скорость постепенно увеличивалась. При этом вращаю­щийся газопылевой диск вытягивался в экваториальной плоско­сти. Как впервые предположил Лаплас, околосолнечное облако образовалось после того, как вещество было выброшено с сол­нечного экватора, когда центробежная сила превысила силы тяготения.

В результате передачи момента количества движения от Солнца к облаку (возможно, за счет взаимодействия магнитного поля Солнца (1 Гс) с ионизированной частью облака) вращение Солнца замедлялось, облако расширилось до размеров всей Сол­нечной системы.

С перераспределением от Солнца к облаку момента коли­чества движения связана общая потеря энергии вращения, что могло произойти вследствие излучения облаком частиц высокой энергии при внезапных возмущениях магнитного поля. При этом могли образоваться легкие элементы, например литий, и некото­рые короткоживущие радиоактивные изотопы, например А1²⁶.

При интенсивном истечении первичных Н и Не в окружающее пространство началась химическая дифференциация: на месте

Введение 11

будущих внешних планет концентрировались Н и Не, на месте планет земной группы — кремний, железо, магний.

По мере охлаждения околосолнечное облако конденсирова­лось в пылинки и более крупные частицы, двигавшиеся по эл­липтическим орбитам вокруг Солнца в поле его тяготения.

Частицы с близкими орбитами сталкивались и слипались, вырастая до размеров крупных тел. Когда тела достигли раз­меров 1 км и более, процесс столкновения и слипания усилился за счет тяготения. В конечном итоге образовались планеты, их спутники и астероиды. Большая часть газа и пыли, составлявших первичное облако, заключена в этих телах или же рассеялась в пространстве.

В процессе аккреции момент количества движения продол­жал передаваться пока неизвестным способом от облака к ново­образованным планетам и спутникам.

На начальных стадиях аккреции малые тела, возможно, силь­но разогревались из-за распада радиоактивных изотопов, в част­ности А1²⁶. Эти изотопы могли появиться в результате облуче­ния облака частицами высокой энергии. Разогрев мог вызвать разделение железоникелевой и силикатной фаз и другие тепло­вые процессы в образовавшихся телах. Метеориты возникли в результате разрушения некоторых тел.

Процесс образования Солнечной системы в основном закон­чился около 4,5 млрд лет назад, и с тех пор общая структура системы не претерпела существенных изменений. За это вре­мя могли произойти захваты планетами спутников, а скорость вращения планет, особенно Меркурия, Венеры и Земли, могла замедлиться под воздействием приливного трения.

К настоящему времени в Солнечной системе обнаружено 9 планет, 32 спутника, более 150 тыс. астероидов, около 100 комет. Все планеты движутся вокруг Солнца в направлении вращения Солнца, их слабоэллиптические орбиты находятся почти в од­ной плоскости — плоскости эклиптики. Большинство спутников планет также обращается в плоскости эклиптики. В том же на­правлении происходит вращение планет, кроме Венеры и Урана.

Планеты делятся на две группы: внутренние (Меркурий, Ве­нера, Земля, Марс) и внешние (Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун, Плутон). Для внутренних планет характерны повышенная кон­центрация углерода, азота и кислорода и недостаток водорода и гелия. Они имеют высокие плотности за счет содержания тяжелых оксидов и наличия железистого ядра.

Внешние планеты-гиганты (Юпитер, Сатурн) состоят из сме­си водорода и гелия. Уран, Нептун и Плутон — из водорода

Введение

в соединении с углеродом, азотом и кислородом. Между вну­тренними и внешними планетами расположен пояс каменных астероидов (малых планет), число которых превосходит 3 тыс. Самая большая из малых планет — Церера, 770 км в диаметре, масса около 1/8000 массы Земли. Самые малые планеты имеют диаметр около 1 км.

Ближе, чем Меркурий, подходит к Солнцу Икар, к Сатурну ближе всего подходит Гидальго.