2 Воздействие энергетики на биосферу и проблема антропогенного изменения климата Биосфера Земли и антропогенное воздействие

2.3. Воздействие энергетики на биосферу и проблема антропогенного изменения климатаБиосфера Земли и антропогенное воздействие Впервые понятие «биосфера» (от греч. bios — жизнь, sphaira — шар) было вве­дено французским натуралистом Ж.-Б. Ламарком в начале XIX в. Основы науки о биосфере были заложены в первой половине XX в. трудами нашего соотечествен­ника академика В. И. Вернадского (1863—1945), вершиной творчества которого было учение о биосфере Земли (1926 г.). Естественное состояние биосферы облада­ет важной особенностью — относительным постоянством некоторого среднего со­держания составляющих ее веществ и соединений. Естественные периодические колебания концентраций компонентов (суточные, сезонные и др.) обычно не вы­ходят за пределы нормального существования организмов. Появление на Земле человека привело к тому, что специфическая оболочка Земли — биосфера — начинает преобразовываться. Поверхность земного шара, его природные оболочки подвергаются активному вмешательству и переустрой­ству в интересах человека. Интенсивность преобразований увеличивается по ме­ре развития человеческого общества, хозяйственной практики, новых источни­ков энергии, роста научного знания. Новую стадию в эволюции биосферы В. И. Вернадский назвал ноосферой, «сферой разума». По мнению Вернадского, речь идет не о предстоящем уничтожении биосферы, а о преобразовании и даль­нейшем развитии ее под влиянием прогрессивной антропогенной деятельности и превращении в ноосферу. Это высшая стадия развития биосферы, связанная с возникновением и становлением в ней цивилизованного общества, с периодом, когда разумная деятельность человека становится главным, определяющим фак­тором развития.Среди функций ноосферы — сохранение и развитие здоровья человека, благо­получия всего человечества. Однако современное состояние человеческого обще­ства и отношение к природе заставляет задуматься о возможности перехода биос­феры на эту стадию развития в обозримом будущем. Человечество, преследуя ма­териальную прибыль от эксплуатации природы, стремительно приближается к разрушению планеты. Постоянно существующая опасность ядерных разруше­ний, хотя и уменьшившаяся сейчас, а также возможность необратимых климати­ческих изменений и их последствий, представляют собой близкую угрозу. Такие компоненты современной проблематики глобальны по характеру, и далее круп­ные державы не справятся с ними в одиночку.^ Под экосистемой понимается любое сообщество живых организмов и среды их обитания, объединенных в единое функциональное целое. Основные свойства эко­системы — наличие круговорота веществ, противостояние внешним воздействи­ям, производство биологической продукции. Так, углерод, основная масса кото­рого аккумулирована в карбонатных отложениях дна океанов (1,31016 т), в крис­таллических породах (1,0·1016 т), в угле и нефти (3,4·1015 т), принимает участие в большом геологическом круговороте. Углерод является одним из наиболее важ­ных биогенных элементов, его часто называют основой жизни в биосфере за его способность образовывать многочисленные пространственные связи с другими химическими элементами и тем самым обеспечивать огромное разнообразие орга­нических веществ. Относительно небольшие количества углерода содержатся в растительных тка­нях (51011) и в тканях животных (5·109 т). Этот углерод в процессе малого биоти­ческого круговорота поддерживает газовый баланс биосферы и жизнь в целом. Уг­лерод, содержащийся в атмосфере в виде углекислого газа (23,5·1011 т), служит сырьем для фотосинтеза растений. Затем углерод с органическим веществом пос­тупает к другим живым организмам. При дыхании растений и животных, а так­же при разложении мертвой органики в почве выделяется углекислый газ, в фор­ме которого углерод и возвращается в атмосферу. Весь углекислый газ атмосферы оборачивается в процессе фотосинтеза за 300 лет. Антропогенное воздействие на цикл углерода связано со сжиганием топлива, выращиванием сельскохозяйствен­ных растений и разведением домашних животных. Последние по своей биомассе существенно превышают биомассу диких животных и растений. В своем развитии человеческое общество прошло через ряд различных экосис­тем, отличающихся друг от друга источниками энергии: экосистемы, движимые солнечной энергией (природные системы, зависящие от солнечного излучения), и движимые топливом экосистемы (современные промышленно-городские систе­мы), а также их различные комбинации. В последние десятилетия XX в. часть ми­ра, использующая в крупных масштабах нефть и другие горючие ископаемые, функционирует как экосистема, движимая топливом, а другая часть мира («тре­тий мир») остается зависимой в основном от биомассы (пищи и древесины), т. е. находится на стадии экосистемы, движимой Солнцем. Это различие приводит как к серьезным экологическим проблемам, так и к экономическим и политичес­ким конфликтам, так как энергообеспеченность общества является одним из главных условий высокого уровня развития общества. Выделяя несколько этапов взаимодействия природы и общества, исследователи акцентируют внимание на минувшем столетии — эпохе научно-технической революции. В настоящее время человек эксплуатирует более 55% суши, 13% речных вод. В результате застройки, горных работ, опустынивания и засоления теряется от 50 до 70 тыс. км2 земель в год. При строительных и горных работах перемещает­ся более 4 тыс. км3 породы в год, извлекается из недр Земли более 1000 млрд. т/год различных руд, сжигается 18 млрд. т условного топлива, выплавляется более 800 млн. т различных металлов. На практике сегодня используется около 500 тыс. различных химических соединений. Из них 40 тыс. соединений облада­ют вредными свойствами, а 12 тыс. — токсичны. Ежегодно рассеивается на полях свыше 500 млн. т ядохимикатов, 30% которых смывается в водоемы или задер­живается в атмосфере.Несовершенство современных технологий приводит к тому, что КПД использо­вания сырья составляет в среднем всего 1—2%, остальная его часть идет в отходы. Ежегодно в биосферу поступает более 30 млрд. т бытовых и промышленных отхо­дов в газообразном, жидком и твердом состоянии. Для того чтобы обеспечить од­ного человека предметами существования, каждый год из Земли извлекается бо­лее 20 т сырья, которые затем рассеиваются в биосфере, радикально изменяя эволюционно сформировавшиеся биогеохимические циклы. При таких темпах все вещество планеты вскоре может превратиться в отходы хозяйственной деятельности человека. Уже к середине 1980-х гг. общее количест­во бытовых отходов в мире составило около 1012 т Эта цифра уже приближается к общей массе живых организмов и в 5 раз превышает годовое производство биомас­сы. Причем количество мусора удваивается раз в 6—8 лет. По этому показателю активность человечества сравнялась с активностью биосферы (несмотря на то, что биомасса человечества составляет всего 0,01% от биомассы биосферы, а использу­емый им поток энергии достигает десятых долей процента). Таким образом, все современное воздействие человека на биосферу сводится к четырем главным формам: • изменение структуры земной поверхности (распашка степей, вырубка лесов, мелиорация, создание искусственных озер и морей и т. д.); • изменение состава биосферы, круговорота и баланса слагающих ее веществ (изъятие ископаемых, создание отвалов, выброс различных веществ в атмосферу и в воды); • изменение энергетического, в частности теплового, баланса отдельных райо­нов земного шара и всей планеты (выбросы тепла в результате сжигания топлива, ПГ и т. д.); • изменения, вносимые в биоту (истребление некоторых видов, выведение но­вых пород животных и сортов растений, перемещение их на новые места обитания). В отличие от естественных колебаний, антропогенное воздействие приводит к резкому, быстрому изменению среднего состояния природной среды в данном регионе. В составе природной среды появляются новые компоненты, характеризуе­мые термином «загрязненность». Объектами загрязнений служат атмосфера, почва, вода, а также растения, жи­вотные, микроорганизмы. Источниками загрязнений являются промышленные предприятия, энергетика, бытовые отходы, химические вещества, вводимые че­ловеком в экосистемы. Загрязнителем может быть любой физический объект, хи­мическое вещество или биологический вид (микроорганизмы), концентрация ко­торого выходит за рамки обычной. С экологической точки зрения загрязнения представляют собой комплекс помех в биогеоценозах, воздействующих на пото­ки энергии, вещества и информации. Существуют два главных источника загряз­нения атмосферы: естественный и искусственный (антропогенный). Естествен­ными источниками загрязнения атмосферы служат: вулканизм, лесные пожары, пыльные бури, выветривание. Эти факторы не угрожают отрицательными послед­ствиями экосистемам, за исключением некоторых катастрофических природных явлений. В отличие от естественных помех, ведущих к отбору наиболее приспо­собленных особей, антропогенные помехи ведут к массовой гибели организмов. С 1600 г. на Земле вымерло 74 вида птиц и 63 вида млекопитающих. Еще больше по­гибло подвидов птиц и зверей, из них не менее 80% погублено человеком. Сейчас ежедневно 140 видов живых организмов оказываются под угрозой исчезновения. Дождевые тропические леса — самые богатые экосистемы на планете. Занимая 8% ее площади, они дают приют почти половине живущих видов животных. Све­дение этих уникальных лесов идет со скоростью 70—90 тыс. км2/год. В свою очередь антропогенные загрязнения делятся на физические, химичес­кие, механические, биологические и микробиологические. К физическим относят загрязнения, связанные с изменением физических пара­метров среды. Это тепловое, световое, шумовое, электромагнитное, радиоактив­ное загрязнения. Тепловое загрязнение является результатом повышения температуры среды в связи с промышленными выбросами теплой воды, потоков дымовых газов или воздуха. Вторичное тепловое загрязнение может быть вызвано изменением хими­ческого состава атмосферы вследствие выброса ПГ (углекислого газа, метана, фтор- и хлоруглеродов). Явления макрозагрязнения стали глобальными по масштабу и не могут быть устранены отдельными странами самостоятельно. Сейчас существуют четыре ос­новных вида макрозагрязнения: • выброс токсичных веществ (биологически неразрушимые химические и ра­диоактивные отходы). Вначале было обнаружено широкое распространение ДДТ, который был найден даже в яйцах пингвинов в Антарктике, т. е. оказалось, что молекула может проникнуть в цепочку пищевых продуктов. В дальнейшем было обнаружено множество других токсичных материалов и осознана угроза проник­новения в течение нескольких десятилетий вирулентно токсичных материалов в основные водные артерии мира. До сих пор не решена проблема захоронения ра­диоактивных отходов, так как из-за продолжительного периода полураспада мно­гих радиоизотопов их хранение требует очень длительного времени; • повышение кислотности вод в озерах и гибель лесов в результате воздей­ствия выбросов из труб электростанций, работающих на угле, металлургических заводов и т. п. стало международной проблемой. Например, озера и леса восточ­ной Канады страдают от дыма Питсбурга, Скандинавии — от кислотных газов английского Мидлендса и Рура. Многое можно сделать на местном уровне путем очистки газов, выделяемых трубами, однако это трудное и дорогостоящее дело. Кроме того, механизм повышения кислотности до конца еще не изучен; • загрязнение верхних слоев атмосферы, которое вызывается хлорфтористым углеводородом, применяемым в аэрозолях и холодильных установках. Несколько лет назад были обнаружены огромные дыры в озоновом слое над Антарктидой, од­ной из причин возникновения которых было использование хлорфтористого угле­водорода. Существует опасение, что через эти дыры будет проникать мощное ульт­рафиолетовое излучение, которое может повысить риск заболеваний раком кожи и другими болезнями. На Монреальской конференции 1989 г. была достигнута об­щая договоренность относительно решения этой проблемы путем разработки и ис­пользования в аэрозолях веществ, безвредных для озонового слоя; • наиболее угрожающим макрозагрязнением является антропогенное усиле­ние парникового эффекта. Суть его заключается в том, что парниковые газы пог­лощают длинноволновое излучение Земли. Увеличение концентрации углекисло­го газа в атмосфере приводит к глобальным изменениям климата. Часть диоксида углерода поглощается биотой, но его накопление в атмосфере в последние десятилетия намного превышает возможности живых организмов регулировать этот процесс. Со времен промышленной революции концентрация углекислого газа возросла более, чем на 25%, закиси азота – на 19% и метана – на 100%. Повыше­ние концентрации СО2 в атмосфере вызвано сжиганием ископаемого топлива, и вырубкой тропических лесов.      Биота – это совокупность живых организмов (бактерии, грибы, растения, животные), населяющих рассматриваемую область пространства. Например, можно говорить о глобальной биоте, биоте океана, биоте суши, биоте леса, болота, озера. Биосфера представляет собой биоту и окружающую ее среду, включающую мертвые органические и неорганические вещества, непрерывно используемые жизнью в процессах жизнедеятельности. Фундаментальным является различие между нарушенной и ненарушенной (естественной) биотой. В отличие от нарушенной биоты (поля, пастбища и проч.), естественная биота представляет собой не случайный набор организмов, а внутренне скоррелированные экологические сообщества биологических видов, имеющих строго определенные плотности численности и потребляющих строго определенные потоки энергии. Важность естественной биоты в том, что ее функционирование – это единственный во Вселенной механизм поддержания окружающей среды в пригодном для жизни состоянии. Экономическая выгода от естественной биоты (неестественная биота существовать не может) такая же, как экономическая выгода от существования химических элементов, физических законов, определяющих их взаимодействие между собой, воды в океанах, воздуха в атмосфере, Земли и Солнца в составе солнечной системы, т. е. всего того, без чего жизнь (и, следовательно, экономическая деятельность) на Земле невозможна. Причина разрушения естественной биоты состоит в распространении хозяйственной деятельности человека на большую часть суши и прибрежных зон океанов.  Загрязнением считается привнесение в экосистему новых, не свойственных ей живых или неживых компонентов, а также структурные изменения, которые вызывают частичное или полное прерывание потоков вещества, энергии, информации и выводят систему из состояния равновесия.  Биогеоценоз (Biogeocenosis, от греч.bios – жизнь + ge – земля + koinos – общий – эволюционно сложившаяся, пространственно ограниченная, длительно самоподдерживающаяся, однородная эко& логическая система, в которой функционально взаимосвязаны живые организмы и окружающая их абиотическая среда. Биогеоценоз характеризуется относительно самостоятельным обменом веществ и особым типом использования потока солнечной энергии. Биогеоценозами являются: луга, леса, поля, водоемы.  К парниковым газам относятся водяной пар, углекислый газ, метан, закись азота (N2O), гидро- и перфторуглероды и гексафторидсеры. При этом концентрация водяного пара остается постоянной, а антропогенное влияние приводит к росту концентрации двуокиси углерода и других газов.