Влияние антропогенного фактора на окружающую среду

В естественных экосистемах около 90% растительной органики потребляют микроорганизмы с размерами тела менее 1 мм. Насекомые и другие мелкие животные с размерами до 1 см используют менее 10% органической продукции, а на долю крупных животных приходится примерно 1% органики. Человечество давно превысило этот естественный лимит, и с учетом земледелия, скотоводства и лесозаготовок доля человека в потреблении органики составляет около 10%.

В результате длительной хозяйственной экспансии на планете возникли три центра дестабилизации окружающей среды: Европейский (I), Североамериканский (II) и Юго-Восточноазиатский (III). В каждом из них сформировалось единое пространство с практически полностью разрушенными экосистемами площадью в несколько миллионов квадратных километров (рис. 19).

Особенно наглядно это проявляется в сокращении площади лесных массивов. Некогда покрытая лесами Австралия в настоящее время представляет собой полупустынные земли. Идет интенсивное истребление лесов в Бразилии и России, лесными пожарами и человеком ежегодно уничтожаются сотни тысяч гектаров лесов.

Период с IX по XII век получил в европейской истории название "Великого корчевания", поскольку именно в это время в Европе происходила активная вырубка лесов. Инициировал этот процесс Карл Великий: он издал указ, согласно которому жаловал участок земли каждому, кто выкорчует на этом участке лес и начнет выращивать сельскохозяйственную продукцию. В результате Европа обезлесела (рис. 20).

Как пишут в учебниках истории, "овцы съели леса Англии". Появившиеся в XVIII-XIX веках суконные мануфактуры требовали все больше и больше шерсти, и пастбища для овец создавались путем сведения лесов. Лес шел также на строительство английского флота. С тех пор Великобритания почти безлесная страна: остатки ее лесных массивов сохранились только на 12% территории, главным образом в горах Шотландии.

Основная масса антропогенного углерода поступает в атмосферу при сжигании ископаемого топлива, а также попутного газа, при производстве цемента и вследствие сельскохозяйственной деятельности, а также вырубки лесов (в результате эрозии почв и разрушения биомассы).

Занимая, по разным оценкам, от 40% до 44% современной залесенной территории, девственные леса покрывают сегодня площадь в 13,5 млн. км². Причем 68% этого бесценного планетарного богатства сосредоточено всего в трех странах - России (3,45 млн. км²), Канаде (3, 43 млн. км²) и Бразилии (2,3 млн. км²).

Помимо общеизвестных фактов о поглощении лесными растениями углекислоты и выделении кислорода, леса служат стоком для накапливающихся в атмосфере биогенов, и в том числе двуокиси углерода. А почвенный гумус и болотистые торфяники считаются даже "вечными" ловушками углерода, где, подобно донным морским отложениям, он может при соответствующих условиях сохраняться неопределенно долгое время.

Рис. 19. Три центра дестабилизации окружающей среды.

Рис. 20. Распространение лесов в Центральной Европе в конце IX века (а) и в конце XVIII века (б).

Человечество с начала своего появления в природе бесконтрольно использует ее ресурсы. Одной из причин вымирания мамонтов ученые называют антропогенный фактор. Только за последние 5 тысяч лет, по предварительным подсчетам, не без помощи человека исчезли более 1,5 тыс. видов животных и растений, что сопоставимо с такими катастрофическими периодами, что происходили на переломе эпох протерозоя, мезозоя и кайнозоя. Если говорить только о позвоночных, то после 1600 года с лица Земли исчезли 23 вида рыб, 2 - амфибий, 113 - птиц и 83 – млекопитающих. Время безмерного потребления природных ресурсов завершается.

С наступлением индустриальной эпохи появилось и понятиезагрязнение окружающей среды - нежелательное изменение ее свойств в результате антропогенного поступления различных веществ и соединений, которое:

приводит или может привести в будущем к вредному воздействию на литосферу, гидросферу, атмосферу, на растительный и животный мир, на здания, конструкции, материалы, на самого человека;

подавляет способность природы к самовосстановлению своих свойств.

Загрязнение окружающей среды человеком имеет длительную историю. Еще жители Древнего Рима жаловались на загрязненность вод реки Тибр в результате стока загрязненных вод из городской «клоаки» - системы водоотведения жидких отходов в реку. Жителей Афин и Древней Греции беспокоило загрязнение акватории порта Пирей. Уже в средние века по улицам отдельных городов в результате отсутствия системы сбора отходов и водоотведения было невозможно пройти, мусор выбрасывали прямо из окон, фекальные потоки ручьями лились по канавам. Поэтому уже в те времена, не от хорошей жизни, появились законы об охране окружающей среды.

Главный источник загрязнения - возвращение в природу той огромной массы отходов, которые образуются в процессе производства и потребления человеческого общества. Уже в 1970 году они составили 40 млрд. т, а к концу XX в. возросли до 100 млрд. т. В настоящее время в крупных мегаполисах на одного его жителя приходится в год более 1 тонны отходов.

При этом следует различать количественное и качественное загрязнение.

Количественное загрязнение окружающей среды возникает в результате возвращения в нее тех веществ и соединений, которые встречаются в природе в естественном состоянии, но в гораздо меньших количествах (например, это соединения железа и других металлов).

Качественное загрязнение окружающей среды связано с поступлением в нее неизвестных природе веществ и соединений, создаваемых в первую очередь промышленностью органического синтеза.

Загрязнение литосферы (почвенного покрова) происходит в результате промышленной, строительной и сельскохозяйственной деятельности. При этом в роли главных загрязнителей выступают металлы и их соединения, удобрения, ядохимикаты, радиоактивные вещества, концентрация которых приводит к изменению химического состава почв. Все более сложной становится и проблема накопления бытового мусора; не случайно на Западе по отношению к нашему времени иногда применяют термин "мусорная цивилизация".

И это не говоря уже о полном разрушении почвенного покрова в результате, прежде всего, открытых горных разработок, глубина которых - в том числе и в России - иногда достигает 500 м и даже большей. Так называемые бедленды ("дурные земли"), полностью или почти полностью потерявшие свою продуктивность, занимают уже 1 % поверхности суши.

Загрязнение гидросферы происходит, прежде всего, в результате сброса в реки, озера и моря промышленных, сельскохозяйственных и бытовых сточных вод. К концу 90-х гг. общий мировой объем сточных вод приблизился к 5 тыс. км³ в год, или к 25% от "водного пайка" Земли. Но поскольку для разбавления этих вод требуется в среднем в 10 раз больший объем чистой воды, фактически они загрязняют гораздо больший объем русловых вод. Нетрудно догадаться, что именно в этом, а не только в росте непосредственного водозабора - главная причина обострения проблемы пресной воды.

К числу сильно загрязненных относятся многие реки - Рейн, Дунай, Сена, Темза, Тибр, Миссисипи, Огайо, Волга, Днепр, Дон, Днестр, Нил, Ганг и др. Растет и загрязнение Мирового океана, "здоровью" которого угрожают одновременно с побережья, с поверхности, со дна, из рек и атмосферы. Ежегодно в Океан попадает огромное количество отходов. Наиболее загрязнены внутренние и окраинные моря - Средиземное, Северное, Ирландское, Балтийское, Черное, Азовское, внутреннее Японское, Яванское, Карибское, а также Бискайский, Персидский, Мексиканский и Гвинейский заливы.

Средиземное море - самое крупное внутреннее море на Земле, колыбель нескольких великих цивилизаций. На его берегах расположено 18 стран, живут 130 млн. человек, расположено 260 портов. Кроме того, Средиземное море - одна из главных зон мирового судоходства: в нем одновременно находятся 2,5 тыс. судов дальнего плавания и 5 тыс. каботажных. По его трассам ежегодно проходит 300 -350 млн. т нефти. В результате это море уже в 60-70-х годы ХХ века превратилось едва ли не в главную "помойную яму" Европы. Аналогичная ситуация и с другим внутренним морем Европы – Балтийским.

Загрязнение коснулось не только внутренних морей, но и центральных частей океанов. Возрастает угроза для глубоководных впадин: имели место случаи захоронения в них токсичных веществ и радиоактивных материалов.

Но особую опасность для Океана представляет нефтяное загрязнение. В результате утечки нефти при ее добыче, транспортировке и переработке в Мировой океан ежегодно попадает (по разным источникам) от 3 до 10 млн. т нефти и нефтепродуктов. Космические снимки показывают, что уже около 1/3 всей его поверхности покрыто маслянистой пленкой, которая снижает испарение, угнетает развитие планктона, ограничивает взаимодействие Океана с атмосферой. Больше всего загрязнен нефтью Атлантический океан. Движение поверхностных вод в Океане приводит к распространению загрязнения на большие расстояния.

Загрязнение атмосферы происходит в результате работы промышленности, транспорта, а также сжигания различных видов топлива, которые в совокупности ежегодно выбрасывают "на ветер" миллиарды тонн твердых и газообразных частиц. Основные загрязнители атмосферы - окись углерода (СО) и сернистый газ (SO₂), образующиеся, прежде всего, при сжигании минерального топлива, а также оксиды серы, азота, фосфора, свинец, ртуть, алюминий и другие металлы.

Сернистый газ служит главным источником так называемых кислотных дождей, которые особенно широко распространены в Европе и в Северной Америке. Кислотные осадки снижают урожайность, губят леса и другую растительность, уничтожают жизнь в речных водоемах, разрушают здания, отрицательно сказываются на здоровье людей.

В Скандинавии, которая получает кислотные осадки в основном из Великобритании и ФРГ, погибла жизнь в 20 тыс. озер, в них исчезли лосось, форель и другая рыба. Во многих странах Западной Европы происходит катастрофическая гибель лесов. Такая же гибель лесов началась и в России. Воздействия кислотных осадков не выдерживают не только живые организмы, но и камень.

Особую проблему создает увеличение выбросов в атмосферу диоксида углерода (СО₂). Если в середине XX в. во всем мире эмиссия СО₂ составляла примерно 6 млрд. т, то в конце века она превысила 25 млрд. т. Основную ответственность за эти выбросы несут экономически развитые страны северного полушария. Но в последнее время выбросы углерода значительно возросли также в некоторых развивающихся странах в связи с развитием промышленности и особенно энергетики. До сих пор многие ученые признают, что такие выбросы угрожают человечеству так называемым парниковым эффектом и глобальным потеплением климата. А растущая эмиссия хлорфторуглеродов (фреонов) уже привела к образованию огромных "озоновых дыр" и частичному разрушению "озонового барьера". Авария на Чернобыльской АЭС в 1986 г. свидетельствует о том, что случаи радиоактивного загрязнения атмосферы также нельзя полностью исключить.

Антропогенная нагрузка на окружающую среду возрастает с каждым годом, и первой из природных сред начинает отставать в этой изнурительной гонке за выживание биосфера, вступившая в стадию своей деградации (поначалу, быть может, и обратимой), которая будет, очевидно, продолжаться до тех пор, пока не исчезнет самая ее причина - человеческая цивилизация, не сумевшая ввести свое развитие в приемлемое для окружающей среды русло. И все это может случиться намного раньше, чем разразится реальный кризис по какому-либо из жизненно важных для человечества ресурсов.

Но если человек в процессе своей хозяйственной деятельности постоянно подрывает сложившиеся природные взаимоотношения, то естественная биoта (совокупность живых организмов), напротив, с самого своего возникновения неизменно воздействовала на окружающую среду в направлении повышения ее устойчивости, sustainability, а следовательно, стабильных условий и своего собственного существования.

На ранних этапах возникновения жизни работа эта выполнялась бактериями и другими одноклеточными организмами, а позднее ту же миссию приняли на себя и многоклеточные, в первую очередь растения и грибы. Именно они формируют в своей совокупности подавляющую часть биомассы, насыщают атмосферу кислородом, поглощают углекислый газ и образуют основную часть вещества, слагающего осадочные породы.

И тем же мельчайшим организмам и фитопланктону обязан Мировой океан рядом своих специфических свойств, которые обуславливают его ведущую роль в регуляции и стабилизации окружающей среды на планете. Именно океаническая толща с ее пока еще слабо возмущенной биотой служит главным каналом (стоком) для выведения из атмосферы антропогенного углерода. Однако с растущими антропогенными нагрузками не справляется уже и Мировой океан. Стоит только упомянуть острова мусора, которые просматриваются со спутников в Тихом океане (рис. 21).

Как и любой другой вид на Земле, человечество существует в рамках определенного энергетического коридора, характеризуемого той максимальной долей от общего энергопотока в биоте, которую оно может использовать на свои нужды без разрушения существующих связей и риска возмущения окружающей среды.

При этом речь, разумеется, идет об энергии, уже преобразованной фитопланктоном и растениями суши в процессе фотосинтеза, которую они запасают в виде органического вещества, именуемого первичной продукцией. Годовая величина этой органики и является валовой первичной продукцией.

Рис. 21. Участки с образовавшимися «островами» мусора из бытовых отходов в Тихом океане (по данным дистанционного зондирования Земли – изображение из СМИ)

Однако около 20% своих энергетических запасов растениями расходуется на их собственный рост, дыхание и размножение, так что в дальнейший круговорот включается лишь оставшаяся ее часть, которая и используется организмами-консументами (потребителями) следующих трофических уровней.

И если подсчитанная энергетическая мощность всей земной биоты составляет порядка 100 тераватт в год (1 тераватт = 10¹² Вт), то один процент от нее будет равен примерно 1 тераватту в год. Следовательно, 1-2 тераватта в год и дают нам количественное представление о хозяйственной емкости биосферы, то есть той предельной ее величине, превышать которую ни при каких условиях не должна мощность человеческого хозяйства.

Фактически же его мощность составляет сегодня 13 тераватт в год. Величины же 1-2 тераватта в год соответствовали мощности цивилизации в самом начале XX века, когда человечество перешагнуло этот запретный для него рубеж. И неслучайно быстрый рост концентрации CO₂ в атмосфере также начался около 1900 года, то есть после того, как потребление человеком чистой первичной продукции превысило допустимый однопроцентный барьер. К тому времени население Земли достигало 1,6 млрд. человек, и им были уже разрушены или сильно деформированы природные экосистемы на 20% поверхности суши. Поэтому 20% хозяйственно освоенной земной суши (с учетом уровня существовавших в те годы технологий) также могут считаться "географическим" эквивалентом порога возмущения биосферы.

В соответствии с данными, полученными В. Г. Горшковым в рамках теории биотической регуляции, нарушение экологического равновесия возникает при хозяйственном освоении порядка 25-30% территории суши. В 1974 году академик А. Д. Сахаров писал, что для обеспечения устойчивого биосферного баланса в будущем необходимо разделение суши на заселенную и малообжитую части в соотношении 3:8.

Вместе с тем, по данным ЮНЕСКО, площадь нарушенных экосистем достигает сегодня 63% от биологически продуктивной части суши, а потребление человеком чистой первичной продукции достигает 40%, при этом 10% потребляются непосредственно человеком, а 30% аннигилируются вследствие вытеснения природных экосистем агроценозами, опустынивания земель, разрушения природных систем и загрязнения природных сред, отмечается нарушение замкнутости круговорота биогенов (CO₂, соединений азота и фосфора) и прогрессирующая потеря биоразнообразия, переход многих возобновляемых до недавнего времени природных ресурсов в разряд невозобновляемых.

Как полагают некоторые исследователи, человеческая цивилизация уже почти достигла того критического уровня энерговыделения, дальнейший рост которого может нарушить сложившийся баланс между поглощаемым и отражаемым солнечным и тепловым излучением планеты. Чтобы избежать роковых последствий полной разбалансировки температурно-климатического режима, человеку, даже при овладении альтернативными источниками энергии, все равно придется довольствоваться энергетическими ограничениями примерно того же порядка, что обеспечивают его сегодняшние потребности.

Находясь в физической среде, человечество в силу ограничений, вытекающих из закона распределения энергопотоков в биоте, не может, без риска необратимой дестабилизации окружающей среды, тратить на собственные нужды больше 1% от всей своей энергетической мощности. И, следовательно, даже самая совершенная технологическая система по управлению окружающей средой все равно должна будет оставаться в рамках указанного соотношения – 99:1.

Главный экологический итог хозяйственной деятельности человека - разрушение природных экосистем на огромных территориях суши, а также в акваториях полузамкнутых морей и прибрежной океанической зоны.

Именно резкое ослабление средоформирующей и стабилизирующей функции биоты на больших территориях угрожает биосфере наиболее катастрофическими последствиями.

Территории с ненарушенными экосистемами занимают на сегодняшний день всего 51,9% земной суши, или 77 млн. км². Однако значительная их часть приходится на экологически малопродуктивные ледниковые, скальные и обнаженные поверхности - Антарктиду, Гренландию, Гималаи и т.п. Остается 57 млн. км², или 37% от всей биологически продуктивной части суши, причем распространение таких нетронутых территорий на поверхности Земли имеет крайне неравномерный характер.

Жестокая статистика свидетельствует о том, что за какие-то считанные столетия, но главным образом - за последний век, люди сумели загрязнить, опустынить и обезлесить не самую маленькую из планет, на 91 страну приходится сегодня менее 5% от всех сохранившихся в мире ненарушенных природных территорий.

На рубеже XIX-XX веков территории с разрушенными человеком экосистемами занимали только 20% суши. К концу ХХ столетия они составляли уже 63,8% (без учета оледенелых и оголенных территорий), а за первое десятилетие XXI века показатели приблизились к 70%.

Чтобы достигнуть первого миллиарда численности людей, человечеству понадобился миллион лет. Этот момент (начало XIX века) совпал с промышленной революцией. Второй миллиард был достигнут уже за 100 лет (начало XX века), третий - за 40, четвертый - за 15, пятый - за 10. В 1999 году на Земле жило 6 млрд. людей, а за первое десятилетие XXI века человечество приблизилось к семи млрд. людей и в ноябре 2011 года достигло 7 млрд. жителей.

Биомасса человека вместе с домашними животными и культурными растениями достигла в наши дни 20 % биомассы всех естественных видов суши, а еще в начале XX века она не превышала 1-2%.

За 140 лет (с 1850 по 1987 год) население Земли выросло в 4 раза, а его энергетический потенциал увеличился в 1000 раз.

Потребности человечества в энергии лишь на 2,6 % удовлетворяются за счет возобновляемых энергоисточников (главным образом гидроэлектростанций). Остальные 97 % составляют невозобновляемые источники энергии: нефть - 44%, газ - 26%, уголь - 25%, атомная энергетика – 2,4%.

При оценке экологических следствий жизнедеятельности городского населения ученые вывели так называемый экологический эквивалент современного человека. Это территория с частично или полностью разрушенными экосистемами, требуемая для обеспечения одного горожанина необходимыми условиями существования, а также для удаления отходов его жизнедеятельности.

В настоящее время в активном обороте находится от 50 до 100 тысяч искусственно синтезированных веществ, причем в 80% случаев воздействие их на живые организмы неизвестно и вряд ли когда-нибудь будет полностью изучено.

Скорость технической эволюции, определяющей воздействие человека на биосферу, непрерывно растет. В конце XX века инновационный цикл в передовых отраслях занимал в среднем около 10 лет, а в первое десятилетие XXI века инновационные технологии и модернизация производства в экономике еще более ускорились, и во втором десятилетии достигнут темпов в 7-8 лет с тенденцией продолжения ускорения. В то же время темпы биологической эволюции, как способности биосферы - открытой системы восстанавливаться или переходить на более качественно новый уровень, остаются почти неизменными и составляют порядка 10⁴ лет. Разница в темпах очевидна, и на следующих циклах развития это может привести к необратимым последствиям для биосферы в целом.

Влияние антропогенной деятельности на содержание углекислого газа в атмосфере

В последнее десятилетие ХХ века в научном и политическом мире остро встал вопрос о повышении содержания углекислого газа в атмосфере в результате антропогенной деятельности и возможном потеплении климата как следствие этого воздействия на окружающую среду. Был принят Киотский протокол, определивший вплоть до первого десятилетия XXI века лимиты выбросов в атмосферу загрязняющих веществ и, в первую очередь, углекислого газа, для большинства стран мира.

Атмосфера, как природная среда, образовалась при остывании Земли с выделением газообразной и жидкой фаз из ее недр.

Понадобилось более полутора млрд. лет для того, чтобы атмосфера стала пригодной для обитания на суше животных, и значительный вклад в преобразование атмосферы был внесен растениями, первыми освоивших пространства континентов.

Однако отдельные ученые считают, что кислородная атмосфера на Земле возникла в результате экологической катастрофы, вызванной особенностью метаболизма первичных форм жизни - выделения ими кислорода в качестве "отходов" их жизнедеятельности.

При образовании атмосферы ее состав существенно отличался от нынешнего. Основными компонентами примитивной атмосферы были побочные продукты извергаемых на поверхность и остывающих горных пород – выделяющиеся при этом газы CO₂, CH₄, N₂, NH₃, H₂S и пары воды (табл. 1).

Таблица 1.

Основные компоненты атмосферы, гидросферы и литосферы в эпоху примитивной атмосферы

В последующие геологические эпохи состав атмосферы изменялся в сторону повышения содержания кислорода, что влияло на изменение климата на Земле в целом (рис. 22).

Рис. 22. Изменение состава атмосферы как открытой системы во времени

Одной из причин древних оледенений считают, в том числе, и резкое повышение содержания кислорода, что при уменьшении «парникового эффекта» понижало среднюю температуру на поверхности Земли.

В последние годы стало уделяться большое внимание содержанию СО₂ в атмосфере и прогнозированию последствий увеличения его содержания в воздухе для климата Земли. Как уже упоминалось, Киотским протоколом были закреплены квоты выбросов в атмосферу углекислого газа для мировой экономики и отдельных стран, но единого мнения по влиянию антропогенного воздействия на содержание углекислого газа в атмосфере до сих пор не выработано.

Является общепризнанным, что сжигание топлива в последние 200 лет привело к повышению содержания углекислого газа в атмосфере. Однако увеличение углекислого газа в атмосфере происходило и раньше, в более древние эпохи, до появления человека. С помощью изотопного анализа древнего воздуха, вмерзшего в антарктический лед, было доказано, что роль человеческой деятельности в этом процессе была невелика, а это вошло в противоречие с предшествующим представлением о роли антропогенного фактора в содержании СО₂ в воздухе и обусловило необходимость создания более точных моделей прогнозирования изменения климата.

Последний ледниковый период закончился 11,0-14,0 тыс. лет назад, с тех пор уровень углекислого газа в атмосфере сначала падал до 4 миллионных доли и около 7 тыс. лет назад достиг 0,026% от общего объема воздуха в атмосфере.

Далее, около 7 тыс. лет назад, уровень CO₂ стал расти. В течение последующих 6,8 тыс. лет уровень CO₂ вырос примерно на 20 миллионных частей до уровня примерно 280 миллионных частей (для сравнения сейчас это 387 миллионных частей).

Основными факторами изменения содержания углекислого газа в атмосфере в этот период, по мнению ученых, считаются:

биологические процессы на суше;

изменение содержания химических веществ в почве (в том числе в разные геологические эпохи);

гибель и разложение растений (каменноугольный период);

высвобождение CO₂ из океана в результате роста коралловых рифов;

природные пожары.

Для изучения влияния антропогенной деятельности на атмосферу было отобрано около 200 образцов древнейшего воздуха (вмерзших в лед пузырьков воздуха) из антарктического льда со времен конца ледникового периода и до начала эпохи индустриализации. Ученые измеряли соотношение изотопов более тяжелого углерода-13 и более легкого углерода-12 в углекислом газе.

Как выяснили ученые, в основном повышение углекислого газа происходило за счет океанических процессов, в меньшей степени — жизнедеятельности растений суши, и лишь в очень малой степени — за счет человеческой активности. Такой результат подтверждает идею о циркуляции углерода в ходе изменения климатических систем на планете, утверждает один из авторов работы Томас Стокер из Университета Берн в Швейцарии.

Как это ни кажется парадоксальным после Киотских «битв», но, по последним данным ученых, ни человеческая активность, ни изменение растительности сами по себе не вызывали рост количества углекислого газа в атмосфере. Следовательно, или ученые в очередной раз ошиблись, или за счет Киотского протокола очередной раз происходит глобальное «отмывание денег» одних стран за счет других.

По данным последних исследований, основным фактором, оказывающим влияние на содержание СО₂ в атмосфере, является углеродный цикл Земли в масштабах всей планеты, который объединяет химические и биологические процессы, которые происходят на поверхности и в глубинах земных недр. Цикл начинается с плит океанской коры, которые несут богатые углеродом слои под другие тектонические плиты и смешивают их с расплавленной породой мантии.

Само самой становится ясным, что антропогенное влияние на содержание СО₂ в атмосфере имеет незначительную часть и может не учитываться в общих глобальных процессах Земли.