Охрана окружающей среды

27. Антропогенные  воздействия на потоки энергии и круговороты веществ. 

   Всеми отраслями человеческого хозяйства ежедневно добывается почти 300 млн. тонн веществ и материалов, сжигается около 30 млн т топлива, используется 2 млрд м³ воды и 65 млрд м³ кислорода. Все это  сопровождается расходованием природных ресурсов и массированные загрязнением среды.

   Сравнение антропогенных материальных потоков с параметрами биосферного круговорота показывает, что человеческая деятельность определяет существенную долю биогеохимической динамики вещества на планете. Общее потребление пресной воды человечеством достигло 2% объема влаги, вводимой в биосферный круговорот транспирацией всех растений суши. Антропогенный обмен газов в атмосфере составляет 15—18% всего биотического газообмена. Уровень использования продукции биомассы достиг 10%. Человечество в результате своей жизнедеятельности возвращает в атмосферу 1,5 Гт выдыхаемых углекислого газа и паров. При этом выделяется 18 ЭДж теплоты. На поверхность земли и в водоемы переходит 3,9 Гт жидких и 0,7 Гт твердых отходов (экскрементов людей и бытового мусора). Разница между приходом и расходом, близкая к 100 млн т в год, указывает на рост численности, массы человечества и массы предметов и материалов индивидуального потребления.

   Значительные ресурсы и экологические проблемы связаны с технической энергетикой и промышленным производством, включая и промышленные технологии в сельском хозяйстве. Так, сжигание 10  и Гт ископаемого топлива , как и биологическое окисление более 5 Гт растительной биомассы при скармливании сельскохозяйственным животным, связано с потреблением 34-35 Г̞ кислорода и возвращением в атмосферу 39-40 Гт углекислого газа, 9-10 Г̞ влаги (не включая техногенного испарения свободной воды). Кроме того, в воздух попадают продукты неполного сгорания, различные пыледымовые аэрозоли, окислы, соли, значительная масса разнообразных летучих веществ, которые выделяются в процессе производства, работе автотранспорта. Общая масса этих примесей составляет 2 Гт в год. В среду при этом выделяется до 400 ЭДж теплоты, создающей угрозу теплового загрязнения планеты.

   Более 100 Гт твердых и жидких отходов образуется за год добывающей и перерабатывающей промышленностью. Около 15% попадает со стоками в водоемы, остальное добавляется к отвалам, так называемой «пустой породы», свалкам, хранилищам и захоронениям промышленных отходов.

    Таким образом, критическую ситуацию в конце XX в. образуют следующие негативные тенденции.

1. Потребление ресурсов Земли настолько превысило темпы их естественного воспроизводства, что истощение природных богатств стало оказывать заметное влияние на их использование, на национальную и мировую экономику, привело к необратимому обеднению литосферы и биосферы.

2. Отходы, побочные продукты производства и быта загрязняют биосферу, вызывают деформации экологических систем, нарушают глобальный круговорот веществ и создают угрозу для здоровья человечества.

  Главной причиной противоречий оказывается именно количественная экспансия человеческого общества — высший уровень и быстрое нарастание совокупной антропогенной нагрузки на природу, усиление его разрушающего воздействия. Все это имеет очень серьезные не только экологические, но и социально-биологические и экономические последствия.

    Существенным отличием антропогенного массообмена от биотического круговорота веществ в природе является то, что первый не образует или почти не образует замкнутых циклов. Он существенно разомкнут как в качественном, так и количественном отношении. Может быть реально возобновлена только часть изъятых человеком из природы биологических ресурсов. Может быть утилизирована биотой или нейтрализована в результате биогеохимической миграции веществ только часть отходов производства. Темпы возобновления, утилизации и нейтрализации в современную эпоху отстают от темпов изъятия ресурсов и загрязнения среды. Наиболее характерно это для крупных промышленных городов.

   В пределах крупных городов изменены все элементы окружающей среды. В связи с тем, что антропогенный обмен составляет существенную часть биосферного круговорота веществ, то своей разомкнутостью он нарушает необходимую высокую степень замкнутости глобального биотического круговорота, выработанную в длительной эволюции и являющуюся важнейшим условием стационарного состояния биосферы. Антропогенные воздействия оказывают влияние и на круговороты воды, кислорода, углерода, азота, фосфора, серы.

   В одних случаях влияние хозяйственной деятельности человека на круговорот воды, или природный гидрологический цикл, может быть целенаправленным, в других — случайным, непредусмотренным.

   Так, количество осадков в промышленных регионах, как правило, увеличивается. Причиной этого служит обилие мельчайших частиц минеральных веществ, ускоряющих конденсацию водяных паров. Другой пример-усиление стока воды в результате уничтожения растительного покрова. Как известно, растительный покров (деревья, травы и др.) улавливают и удерживают воду, просачивающуюся в почву. Уничтожение растительности усиливает сток воды и может привести к наводнению. Нередко человек искусственно препятствует стоку речных и озерных вод, например в океаны. В таких случаях происходит загрязнение воды химическими и биологическими отходами.

   Жизнедеятельность живых организмов, как известно, поддерживается современным соотношением в атмосфере кислорода и углекислого газа. Естественные процессы потребления кислорода и углекислого газа и их поступление в атмосферу сбалансированы. Антропогенное воздействие оказывает заметное влияние на круговорот кислорода в биосфере. С развитием промышленности и транспорта кислород используется на процессы горения. Например, на сжигание разных видов топлива требуется от 10 до 25% кислорода, производимого зелеными растениями. Уменьшается поступление кислорода в атмосферу из-за сокращения площадей лесов, степей и увеличения пустынь. Сокращается число продуцентов кислорода и в водных экосистемах. Главная причина- загрязнение океанов и морей, рек и озер. Ученые считают, что в ближайшие 150-180 лет количество кислорода в атмосфере может сократиться на 1/3 по сравнению с его содержанием в конце XX в. Особую тревогу в последние годы вызывает часто наблюдаемое разрушение озонового слоя.

  Глобальное равновесие (углекислый газ- живое вещество- отмершая органика) сильно сдвинуто практически во всех звеньях. Во-первых, при сгорании топлива при существующем уровне его потребления ежегодно в атмосферу дополнительно поступает 5-6*10⁹ т С. Во-вторых, выжигание тропических лесов для расширения пашни, необходимого в связи с ежегодным приростом населения в тропических и субтропических странах на 2,4%, приводит к высвобождению в виде углекислого газа около 5*10⁸ т С ежегодно. В-третьих, примерно такое же количество органического С фитомассы тропических лесов переходит в атмосферу вследствие лесозаготовок, при которых вывозится в виде древесины только часть фитомассы, а отходы (ветви, хвоя и т. д.) и поврежденные деревья сгнивают и минерализуются. В-четвертых, из почвы пашен, в первую очередь тропиков, в атмосферу ежегодно переходит еще 3 – 10*10⁸ С, первоначально содержащегося в органическом веществе почвы. Общее количество органического С, потерянного всеми наземными экосистемами, включая и нетропические, за исторический период составляет около 7-10*10¹¹ т. Таким образом, целый ряд антропогенных процессов существенно сдвигает биосферный баланс углерода в сторону увеличения концентрации углекислого газа в атмосфере. Хотя часть СО₂ выделившуюся при сгорании топлива, поглощают океаны, большая же ее часть остается в атмосфере. Результаты анализов убедительно свидетельствую-то неуклонном возрастании СО₂ в атмосфере, начиная с 50-х гг. XX в. Представляется наиболее вероятным повышение уровня двуокиси углерода в атмосфере к 2000 г. на 25%. Такое увеличение способно вызвать повышение глобальной температуры на 1°С, «парниковый эффект». Это крайне опасно. В силу «парникового эффекта» и возможности изменения климата произойдет таяние полярных льдов, повышение уровня Мирового океана, затопление прибрежных территорий, ликвидация важных местообитаний для многих видов, включая человека.

   Дж. Митчелл (1979) считает, что в конце XX в. ожидаемое повышение температуры поверхности Земли проявится достаточно отчетливо. Он также полагает, что ко времени, когда возмущение климата от повышенного содержания СО₂ проявит себя в полной мере, и которое, возможно, наступит через тысячелетия или позже, температура земной атмосферы в глобальном масштабе может превзойти самые высокие уровни, имеющие место за прошедшие миллионы лет истории Земли.

   Фиксация атмосферного азота промышленностью более 30 млн т в год составляет в конце XX в.не менее трети всего имеющегося поступления соединений азота на поверхности суши и в океан (около 92 млн т ежегодно, включая индустриальную фиксацию; в это количество не входят газообразные и аэрозольные загрязнения атмосферы) и около половины того поступления азота в биосферу, которое было до промышленной революции. Денитрификация, приводящая к выводу азота из экосистем, составляет около 83 млн т в год, а отсюда ежегодно в биосфере накапливается до 9 млн т азота в связанной форме. Поток связанного азота, потребляемого непосредственно человечеством в виде пищевого белка и одежды, при годовой норме 5 кг может составить в 2000 г. 32 млн т.

    Кроме того, окислы азота, попадая в атмосферу, играют существенную роль в образовании смога. Избыток нитратов, попадающих в водоемы в результате неразумного применения удобрений в сельском хозяйстве, приводит к развитию в этих водоемах колоссальных популяций водорослей и, как следствие, к эвтрофизации водоемов. Выбросы аммиака и различных окислов азота в атмосферу составляют ежегодно 200-350 млн т, определенная часть которых возвращается на поверхность почвы или водоемов в виде «кислых осадков», вызывающих губительные изменения в экосистемах.

   В ряде регионов биосферы антропогенное поступление азота в экосистемы преобладает над всеми другими источниками. Например, в США из 21 млн т азота, ежегодно поступающего в почвы, на атмосферные осадки приходится 5,6 млн т, на биогенную фиксацию -4,8 млн т, на минеральные удобрения -7,5 млн т.

   В связи с тем, что на Земле запасы фосфора -важного элемента для функционирования экосистем- малы (содержание не превышает 1 % в земной коре), любое воздействие человека на биогеохимический круговорот фосфора имеет ряд отрицательных последствий.

51. Парниковый  эффект. Вещества и процессы, приводящие  к развитию парникового эффекта.  Последствия этого явления.

   Парниковый эффект — повышение температуры нижних слоёв атмосферы планеты по сравнению с эффективной температурой, то есть температурой теплового излучения планеты, наблюдаемого из космоса.

    Еще в 1827 году французский физик Жозеф Фурье предположил, что атмосфера земли выполняет функцию своего рода стекла в теплице: воздух пропускает солнечное тепло, не давая ему при этом испариться обратно в космос.  
Этот эффект достигается благодаря некоторым атмосферным газам, таким, например, как водяные испарения и углекислый газ. Они пропускают инфракрасный свет, излучаемый солнцем, но поглощают инфракрасное излучение, имеющее более низкую частоту и образующееся при нагревании земной поверхности солнечными лучами. Если бы этого не происходило, Земля была бы примерно на 30 градусов холоднее, чем сейчас, и жизнь бы на ней практически исчезла.  
    В течение прошлого века температура у поверхности земли выросла на 0,6 градуса Цельсия (плюс-минус 0,2 градуса). При этом, по оценкам ученых, до 2100 года температура может вырасти еще на 1,5-5,8 градусов Цельсия. Согласно спутниковым наблюдениям, проводившимся с конца 1960-х годов, в результате потепления площади снежного покрова Земли сократились на 10%. Как следствие, повысился уровень моря - в среднем на 20 см в течение прошлого столетия. А до 2100 года, по оценкам специалистов, уровень моря может подняться еще на 47 см.  
  Однако многие содержащиеся в ее атмосфере газы - водяной пар, СО2, метан, закись азота и т. д. - прозрачны для видимых лучей, но активно поглощают инфракрасные, удерживая тем самым в атмосфере часть тепла.  
  В последние десятилетия содержание парниковых газов в атмосфере очень сильно выросло. Появились и новые, ранее не существовавшие вещества с "парниковым" спектром поглощения - прежде всего фторуглеводороды.  
  Газы, вызывающие парниковый эффект, - это не только диоксид углерода (CO2). К ним также относятся метан (CH4), закись азота (N2O), гидрофторуглероды (ГФУ), перфторуглероды (ПФУ), гексафторид серы (SF6). Однако именно сжигание углеводородного топлива, сопровождающееся выделением CO2, считается основной причиной загрязнения.  
   Увеличение содержания углекислого газа в атмосфере (а он главный виновник парникового эффекта) - это следствие сжигания топлива. Нынешний уровень загазованности - самый высокий за всю историю.  
  Причина быстрого роста количества парниковых газов очевидна, - человечество сейчас сжигает за день столько ископаемого топлива, сколько его образовывалось за тысячи лет в период образования месторождений нефти, угля и газа. От этого "толчка" климатическая система вышла из равновесия и мы видим большее число вторичных негативных явлений: особо жарких дней, засух, наводнений, резких скачков погоды. 
  Парниковый эффект относится к числу проявлений глобального экологического кризиса. Эта тенденция наметилась в связи с увеличением в атмосфере концентраций углекислого газа, метана и некоторых других парниковых газов.  
  В последние десятилетия и, особенно в последние годы, парниковый эффект стал крупной научной проблемой, от решения которой существенно зависит возможность перехода цивилизации на путь устойчивого развития. Как отклик на озабоченность тенденциями глобального изменения климата, эта проблема нашла достаточно широкое освещение в научных публикациях, оценках экспертов ООН и программах проведения исследований.  
  Важнейшей причиной изменений климатической системы является накопление в атмосфере антропогенных парниковых газов и вызываемое ими нарушение радиационного баланса атмосферы.