Основы геоэкологии

Огромное разнообразие антропогенных ландшафтов создает необходимость установления их таксономических рангов. В основе фундаментальных исследований используется региональный методологический подход. При изучении и выявлении антропогенных ландшафтов используется классификация А. И. Перельмана (1982 г.), который, согласно учению о формах движения материи, делит все ландшафты на три основных ряда: абиогенный (только механическая и физико-химическая миграция); биогенный (добавляется биогенная миграция) и техногенный (добавляется техногенная миграция). Естественные ландшафты, в которых доминируют абиогенная и биогенная миграции, претерпевают изменения как только в их вещественно-энергетическом обмене начинают участвовать элементы техногенной миграции.

Следовательно, разработка классификационных единиц антропогенных ландшафтов должна быть основана на трех типах миграции, где доминирующая роль должна отводиться техногенной миграции. Классифицируя антропогенные ландшафты по признакам геохимической аномалии, водно-солевого и теплового балансов, необходимо учитывать их естественные и техногенные привнесенные свойства.

С этих позиций, при определении категории антропогенных ландшафтов, следует обратить внимание на степень и характер воздействия конкретной отрасли народного хозяйства. Степень интенсивности развития конкретной отрасли народного хозяйства определяет качественную особенность техногенной миграции химических элементов, масштабы этой миграции, определяемые размерами общественного производства, уровнем развития производительных сил.

На основе общегеографической классификации региональной трактовки и геохимической систематики, критерии выделения каждого таксономического ранга определяются их уровнем. А. И. Перельман выделяет на уровне отрядов - селитебные, агроландшафты, пастбищные, лесохозяйственные, горнопромышленные, дорожные, рекреационные. По степени воздействия и интенсивности процессов техногенеза выделяются их разряды - слабые, умеренные, сильные. Следует отметить, что эти две таксономические единицы выявляются не по геохимическим параметрам, хотя для них свойственны техногенные миграции.

Согласно А. И. Перельману, низшие таксоны геохимической систематики антропогенных ландшафтов - группы, типы, семейства, классы, роды и виды - предлагается выделять по тем же признакам, что и в систематике природных ландшафтов. Эти признаки обусловлены геолого-геоморфологическим, гидро-климатогенным, почвенным и биотическими факторами. Группы антропогенных ландшафтов выделяются по величине биомассы и по её соотношению с ежегодной продукцией.

На территории Казахстана следует выделить группы:

1) горнотундровых и нивально-гляциальных;

2) горнолесных и горнолуговых;

3) горностепных и луго-степных;

4) лесостепных;

5) сухостепных и полупустынных;

6) пустынных.

Типы и семейства антропогенных ландшафтов выделяются по признакам аналогичных природных ландшафтов.

3.4 Биогеохимические эндемии. Болезни, вызванные комплексным воздействием загрязнителей

Загрязнение окружающей природной среды есть внесение в ту или иную экологическую систему не свойственных ей живых или неживых компонентов или структурных изменений, прерывающих круговорот веществ, их ассимиляцию, поток энергии, вследствие чего данная система разрушается, или снижается ее продуктивность.

Загрязнителем может быть любой физический агент, химическое вещество и биологический вид, попадающие в окружающую среду или возникающие в ней в количествах, выходящих за рамки своей обычной концентрации, предельных естественных колебаний или среднего природного фона в рассматриваемое время.

Основным показателем, характеризующим воздействие загрязняющих веществ на окружающую природную среду, является предельно допустимая концентрация (ПДК). С позиции экологии предельно допустимые концентрации конкретного вещества представляют собой верхние пределы лимитирующих факторов среды (в частности химических соединений), при которых их содержание не выходит за допустимые границы экологической ниши человека.

Ингредиенты загрязнения - это тысячи химических соединений, особенно металлы или их оксиды, токсичные вещества, аэрозоли. По данным Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ), в практике в настоящее время используется до 500 тыс. химических соединений. При этом около 40 тыс. соединений обладают весьма вредными для живых организмов свойствами, а 12 тыс. - токсичны.

Наиболее распространенные загрязнители - зола и пыль различного состава, оксиды цветных и черных металлов, различные соединения серы, азота, фтора, хлора, радиоактивные газы, аэрозоли и т.п. Наибольшее загрязнение атмосферного воздуха приходится на долю оксидов углерода - около 200 млн. тонн в год, пыли - около 250 млн. тонн в год, золы - около 120 млн. тонн в год, углеводородов - около 50 млн. тонн в год. Прогрессирует насыщение биосферы тяжелыми металлами - ртуть, галлий, германий, цинк, свинец и т.д. При сжигании топлива, особенно угля, с золой и отходящими газами в окружающую среду поступает больше, чем добывается из недр: магния - в 1,5 раза, молибдена - в 3, мышьяка - в 7, урана и титана - в 10, алюминия, йода, кобальта - в 15, ртути - в 50, лития, ванадия, стронция, бериллия, циркония - в 100, галлия и германия - в 1000 раз, иттрия - в десятки тысяч раз.

Процентное соотношение вредности выбросов, произведенных странами: США - 23 %, Китай - 13,9 %, Россия - 7,2 %, Япония - 5 %, Германия - 3,8 %, все остальные - 47,1 %.

Антропогенные источники загрязнения весьма разнообразны. Среди них не только промышленные предприятия и теплоэнергетический комплекс, но и бытовые отходы, отходы животноводства, транспорта, а также химические вещества, вводимые человеком в экосистемы для защиты полезных продуктов от вредителей, болезней, сорняков.

В последние десятилетия проблема профилактики неблагоприятного воздействия факторов окружающей среды на здоровье человека выдвинулась на одно из первых мест среди других общемировых проблем.

Это связано с быстрым нарастанием числа различных по своей природе (физических, химических, биологических, социальных) факторов, сложным спектром и режимом их воздействия, возможностью одновременного (комбинированного, комплексного) действия, а также многообразием патологических состояний, вызываемых этими факторами.

Среди комплекса антропогенных (техногенных) воздействий на окружающую среду и здоровье человека особое место занимают многочисленные химические соединения, широко используемые в промышленности, сельском хозяйстве, энергетике и других сферах производства. В настоящее время известно более 11 млн. химических веществ, а в экономически развитых странах производится и используется свыше 100 тысяч химических соединений, многие из которых реально воздействуют на человека и окружающую среду.

Воздействие химических соединений способно вызывать практически все патологические процессы и состояния, известные в общей патологии.

Причем по мере углубления и расширения знаний о механизмах токсического воздействия выявляются все новые виды неблагоприятных эффектов (канцерогенное, мутагенное, иммунотоксическое, аллергизирующее, эмбриотоксическое, тератогенное и другие типы действий).

Существует несколько принципиальных подходов к предупреждению неблагоприятных эффектов действия химических веществ: полный запрет производства и применения, запрет поступления в окружающую среду и любого воздействия на человека, замена токсичного вещества менее токсичным и опасным, ограничение (регламентация) содержания в объектах окружающей среды и уровней воздействия на работающих и население в целом. В связи с тем, что современная химия стала определяющим фактором в развитии ключевых направлений во всей системе производительных сил, выбор стратегии профилактики является сложной, многокритериальной задачей, решение которой требует анализа как риска развития ближайших и отдаленных неблагоприятных эффектов влияния вещества на организм человека, его потомство, окружающую среду, так и возможных социальных, экономических, медико-биологических последствий запрета производства и применения химического соединения.

Определяющим критерием для выбора стратегии профилактики является критерий предупреждения (недопущения) вредного действия. В нашей стране и за рубежом запрещено производство и использование ряда опасных промышленных канцерогенов и пестицидов. Введен запрет контакта работающих и выброса в окружающую среду наиболее биологически активных химических соединений, например, некоторых лекарственных препаратов.

ПДК атмосферного загрязнения представляет собой максимальную концентрацию, не оказывающую на протяжении всей жизни человека прямого или косвенного неблагоприятного воздействия на его здоровье и здоровье последующих поколений, не снижающую работоспособность и не ухудшающую его самочувствия, а также санитарно-бытовых условий жизни.

Методологические основы гигиенического нормирования атмосферных загрязнений формулируются следующим образом:

1) допустимой признается только та концентрация химического вещества в атмосфере, которая не оказывает на человека прямого или косвенного вредного или неприятного действия, не влияет на самочувствие и работоспособность;

2) привыкание к вредным веществам, находящимся в атмосферном воздухе, рассматривается как неблагоприятный эффект;

3) концентрации химических веществ в атмосфере, которые неблагоприятно действуют на растительность, климат местности, прозрачность атмосферы и бытовые условия жизни населения, считаются недопустимыми.

4. Антропоустойчивость геосистем

Под устойчивостью геосистем понимается их способность к самоочищению (Глазовская, 1988 г.), обусловленную скоростью трансформации техногенных веществ и выноса их за пределы геосистем. Во многом эта способность обеспечивается совместимостью природных и техногенных потоков вещества. Устойчивость геосистем определяется как способность природных образований к сохранению своей структуры и поведения или их восстановлению после нарушения внешними факторами, то есть способность к саморегуляции.

Устойчивость геосистем резко нарушается в результате различного рода критических ситуаций, спровоцированных обычно внешними антропогенными факторами.

Антропоустойчивость геосистем предпологает способность природных систем противостоять антропогенному воздействию без заметного ущерба для их структуры и функционирования.

Допустимой формой антропогенной нагрузки считается величина, при которой не происходит существенных нарушений свойств и функций ландшафта. Основной частью исследований по определению допустимых норм нагрузки является эксперимент, включающий обоснование и выбор объектов изучения, измерение нагрузки, определение зависимости состояния от нагрузки и разработка основ норм.

В экологии под качеством среды понимают степень соответствия природных условий потребностям людей или других живых организмов. Комфортность среды проживания определяется её качеством.

К концу XX века урбанизация, связанная со стремительным ростом городов и городского населения, охватила около 1 % площади Земного шара. Примерно половина мирового населения уже живет в городских агломерациях. В промышленно-развитых странах более 75 % - это городское население. Этот глобальный процесс изменил ландшафт Земли сильнее, чем другие виды деятельности человека за всю его историю.

Наибольшую опасность для существования человека представляет явление деградации почвенной экосистемы. Изменение условий почвообразования в городе связано со строительной и хозяйственной деятельностью и сопровождается снижением содержания гумуса, разрушением почвенной структуры и гибелью еще оставшихся деревьев. Поэтому к строительной деятельности сегодня предъявляются экологические требования обязательного сохранения экосистемы, восстановления утраченного равновесия и отдельных компонентов, определяющих устойчивость и качество среды обитания человека в городских условиях.

В настоящее время утрачено свойство экосистемы - комфортность ландшафта, исчезло субъективное чувство и объективное состояние благополучия и спокойствия человека в условиях окружающей природной среды, успокаивающей нервную систему и обеспечивающей весь комплекс его здоровья.

Качество - это динамическое свойство природной системы, определяющее её способность изменяться и сохранять структурно-функциональные характеристики во времени. Выделяются несколько динамических качеств, определяющих нормы природопользования: доступность, живучесть, замкнутость, устойчивость, надежность. Первые три качества среды заметно изменяются при её загрязнении и нарушении требований рационального потребления ресурсов и образования отходов. Два последних свойства: устойчивость и надежность - особенно чувствительны к «стациально-деструктивным загрязнениям» и зависят от правильности ведения строительства на территории.

Нормирование качества окружающей природной среды производится для установления предельно допустимых норм воздействия на окружающую природную среду, гарантирующих экологическую безопасность населения и сохранение генетического фонда, обеспечивающих рациональное использование и воспроизводство природных ресурсов в условиях устойчивого развития хозяйственной деятельности.

В систему оценки техногенного воздействия на окружающую среду входит широкий класс экологических нормативов, включающих предельно допустимые выбросы (ПДВ) загрязняющих веществ в атмосферу и предельно допустимые сбросы (ПДС) загрязняющих веществ в водные объекты, размещение твердых отходов, квоты изъятия природных ресурсов, а также многочисленные нормы и регламентации различных сторон хозяйственной деятельности. Сегодня различают две группы экологических нормативов: предельно-допустимые концентрации (ПДК) загрязняющих веществ в природных компонентах и предельно-допустимые уровни (ПДУ) физических свойств природной среды (вкусовые качества, прозрачность, запах, территориальная целостность и т.д.).

Под вредным воздействием понимается нанесение организму временного раздражающего воздействия (появляется головная боль, кашель и др.). К прямому воздействию на организм человека также относится влияние тех загрязняющих веществ, которые накапливаются в организме и при превышении определенной дозы могут вызвать патологические изменения. Под косвенным воздействием подразумеваются такие изменения в окружающей природной среде, которые, не оказывая прямого воздействия на организм человека, ухудшают обычные условия обитания.

В настоящее время в установленном порядке для атмосферного воздуха утверждены нормативы ПДК более чем для 1500 загрязняющих веществ, для водных объектов - более чем для 2000 веществ, для почв - более чем для 50. И это количество постоянно растет. В основе разработки ПДК для воздуха лежит определение «порогового» содержания в нем того или иного загрязняющего вещества, при котором ни прямое, ни косвенное воздействие на человека и окружающую среду еще не оказывается.

Разработанные и утвержденные в установленном порядке нормативы выступают в качестве стандартов.

5. Экологические проблемы техногенеза

5.1 Понятие термина техногенез

Техногенез в истории цивилизации - это нарождение техники, создание человеком все более совершенных способов, орудий и устройств для воздействия на окружающий материальный мир с целью создания и потребления благ. Техногенез с экологической точки зрения - это порождение техники, последний по времени этап эволюции, обусловленный деятельностью человека и вносящий в биосферу вещества, силы и процессы, которые изменяют и нарушают ее равновесное функционирование и замкнутость биотического круговорота. Такое представление смыкается с понятием техногенеза, применяемым в геохимии (А. Е. Ферсман, 1937 г.; А. И. Перельман, 1970 г.).

Наиболее характерные черты всемирного техногенеза в XX в. можно представить следующим образом:

1) за 100 лет мировое потребление энергии увеличилось почти в 14 раз (удвоение в среднем каждые 27 лет);

2) в структуре топливного баланса большинства стран мира произошел переход от преобладания дров и угля к преобладанию углеводородного топлива - нефти и газа (до 65 %), а также к заметному вкладу гидроэнергетики и ядерной энергетики;

3) многократно увеличились добыча и переработка минеральных ресурсов - руд и нерудных материалов;

4) в XX в. значительно вырос объем и изменилась структура машиностроения в связи со станкостроением, развитием техники двигателей внутреннего сгорания, электротехники и автоматизации.

Важной чертой современного техногенеза является интенсивная химизация всех отраслей хозяйства.

Научно-техническая революция в вооружении устранила географические и природные ограничения в применении военной техники. Космос и воздушное пространство, вода и подводное пространство, земная поверхность вплоть до полюсов холода и жары стали доступны для ведения боевых действий.

Техногенез, как и его инициатор - человек, стремится к занятию всевозможных «экологических ниш» и поэтому оказывает сильное влияние на экологию биосферы, вытесняя природные экологические системы и процессы.

В XX в. техногенез приобрел глобальный характер и качественно новую форму, способствуя быстрому расширению и распространению техносферы - совокупного результата хозяйственной деятельности человека.

Техносфера - это глобальная совокупность орудий, объектов, материальных процессов и продуктов общественного производства. Техносферу можно определить также как пространство геосфер Земли, находящееся под воздействием производственной деятельности человека и занятое ее продуктами.

В XX в. человек раздвинул границы техносферы далеко за пределы биосферы - в ближний и дальний космос, в глубины земной коры, под дно океана, в субмолекулярный микромир, создав особую материально-энергетическую оболочку планеты. Она охватывает и пронизывает всю биосферу, особенно сильно на суше, и придает значительной части поверхности планеты совершенно особый облик. Вряд ли остались участки живой природы, которые не испытали бы на себе действие техногенеза. Мировое хозяйство стало не только глобальной технико-экономической, но и глобальной эколого-географической системой.

По различным оценкам, общая масса техносферы в настоящее время составляет от 10 до 20 тыс. Гт. (это больше биомассы живого вещества всей биосферы). Основную ее часть образуют скопления горной массы, отработанных руд, перемещенных грунтов, производственных отходов, оставленные сооружения, развалины и т.п., т.е. накопившееся за всю историю человечества техногенное вещество.

Техногенное загрязнение среды является наиболее очевидной и быстродействующей негативной причинной связью в системе экосферы: «экономика, производство, техника, среда». Оно обусловливает значительную часть природоемкости техносферы и приводит к деградации экологических систем, глобальным климатическим и геохимическим изменениям, к поражениям людей. На предотвращение загрязнения природы и окружающей человека среды направлены основные усилия прикладной экологии.

Источники техногенных эмиссии подразделяются на организованные и неорганизованные, стационарные и подвижные. Организованные источники оборудованы специальными устройствами для направленного вывода эмиссии (трубы, вентиляционные шахты, сбросные каналы и желоба и т.п.); эмиссии от неорганизованных источников произвольны. Источники различаются также по геометрическим характеристикам (точечные, линейные, площадные) и по режиму работы - непрерывному, периодическому, залповому.

5.2 Концепция ресурсного цикла И. В. Комара

Под ресурсным циклом понимают совокупность превращений и простран ственных перемещений определенного вещества или группы веществ, происходящих на всех этапах использования его человеком.

Концепция ресурсного цикла является важнейшей составляющей прикладной экологии. Она предполагает наиболее полное (малоотходное) промышленное производство и вовлечение неизбежно возникающих при этом отходов (после их трансформации) в повторное или многократное использование. (Например, многократное использование заданного объема технической воды на промышленном предприятии).

Замкнутый производственный цикл означает стремление к безотходному или малоотходному типу производства, промышленному производству без потерь вторичных материалов и выбросов их в окружающую среду.

Полная замкнутость производственных циклов невозможна, из-за потерь энергии в процессе промышленного производства. Потери природных ресурсов происходят в процессе несовершенной технологии добычи, транспортировки сырья к местам переработки, возникновения отходов производства и т.д.

В задачи прикладной экологии входит контроль за соблюдением требований замкнутого производственного цикла, предотвращение или уменьшение производственных потерь при переработке сырья из природных ресурсов, трансформация и утилизация отходов, поступающих в окружающую среду. Конечная цель прикладной экологии и инженера-эколога на промышленном производстве заключается в совершенствовании технологии производства и устранении экологических нарушений в состоянии окружающей среды на каждом этапе ресурсного цикла.

Одной из главных задач является минимизация потерь материальных ресурсов на каждом этапе ресурсного цикла. Именно эти безвозвратные потери минерально-сырьевых, водных и иных ресурсов приводят к ухудшению экологического качества окружающей среды (рисунок 3).

Сокращение отходов производства осуществляется в процессе реализации стратегии рационального природопользования.

Рисунок 3 - Схема ресурсного цикла И. В. Комара

6. Природно-технические геосистемы - как объект системного геоэкологического анализа

Анализируя причины каких-то изменений, произошедших в природе, или прогнозируя их, всегда приходится рассматривать не менее двух взаимосвязанных компонентов, образующих единую систему взаимодействия: природную основу системы и ее техногенное ядро, т.е. технологические, технические и инженерные средства, сооружения и комплексы, эксплуатация которых приводит или может привести к изменениям ландшафта. Такие образования получили названия природно-технические геосистемы (ПТГС). Соответственно, под ПТГС понимается: совокупность взаимодействующих природных и искусственных объектов, образующихся в результате строительства и эксплуатации инженерных и иных сооружений, комплексов и технических средств, взаимодействующих с природной средой.

Классическим примером техногенной, искусственной экосистемы является космический корабль, взаимосвязь которого с внешней средой близкого космоса лимитируется многими факторами, обеспечивающими возможность космонавтам жить и работать внутри замкнутого пространства корабля.

Структура ПТГС включает подсистему природных объектов: геологические тела, почва, растительный покров, водные источники, воздух, животные, составляющую природную основу ПТГС и подсистему искусственных объектов: наземные и подземные сооружения, плотины, водохранилища, технические средства, например бульдозеры и т.п.

Направленность воздействия техногенного ядра на природную основу интегрально определяется назначением ПТГС. Иначе говоря, в сходных по назначению системах и близких по параметрам природных условиях можно достаточно обосновано ожидать и сходных воздействий ядра на природную среду. И, соответственно, сопоставимой реакции природных объектов на это воздействие или совокупность воздействий, предопределенную назначением техногенного ядра. Сказанное позволяет при прогнозировании развития ПТГС и разработке проектов природоохранных мероприятий широко использовать принцип актуализма или подобия, конечно, с учетом природных особенностей и темпов (динамики) воздействия на природные комплексы. С этих позиций представляется возможным наметить следующие категории ПТГС, обладающие рядом аналогичных свойств:

1) добывающие природные ресурсы;

2) перерабатывающие добытые ресурсы и выпускающие промежуточную или окончательную продукцию;

3) обеспечивающие функционирование двух первых типов ПТГС.

В зависимости от характера и режима воздействия техногенного ядра на природную основу, стадии формирования ПТГС, последние могут быть неравновесными (динамичными) или квазистационарными.

Обоснование границ ПТГС, направленность и интенсивность техногенного воздействия. Оценивая причины и следствия взаимодействия техногенного ядра и природной основы ПТГС, разрабатывая прогноз преобразования природной среды и содержание природоохранных проектов и мероприятий, приходится сталкиваться с необходимостью определения границ ПТГС, направленности и интенсивности техногенных воздействий на природную их основу.

Границы ПТГ и особенно - определяющиеся загрязнением природных объектов могут быть весьма различны в различных средах, например в почве, поверхностных водах, атмосферном воздухе.

Оценивая воздействие техногенного ядра на природную основу ПТГС практически всегда приходится учитывать многообразные последствия таких воздействий. Да и сами воздействия бывают неоднозначны. Хотя в принципе направленность воздействия ядра ПТГС на природную основу можно свести к четырем группам:

- изъятие вещества из системы (добывающие ПТГС),

- привнесение вещества в систему (строительство, водохранилища, золошлакоотвалы, всякого рода свалки),

- рассеивание вещества (например, аэрозолей, гербицидов или минеральных удобрений)

- перемещение (перераспределение) вещества.

Анализ последствий развития техногенных процессов весьма сложен по той причине, что собственно техногенное начало может (и это не исключение, а скорее правило) сопровождаться в цепочкой последующих природных событий. Иначе говоря первичные техногенные воздействия могут вызвать к жизни процессы, которые правомерно определить как природно-техногенные или техногенно-природные.

Анализ и прогноз изменения природной среды в ПТГС всегда имеет конечной целью разработку конкретных природоохранных мероприятий, направленных к достижению и (или) сохранению определенного качества природной среды.

7. Антропогенное воздействие на природную среду

Всепроникающий характер экологические проблемы приобрели в XX столетии, когда человечество вступило в эпоху научно-технической революции (НТР) и одновременно осознало, что оно оказалось в состоянии экологического кризиса, на грани экологической катастрофы, угрожающей существованию цивилизации. Это совпадение не было случайным: влияние НТР на экологическую ситуацию носило двоякий характер. С одной стороны, с НТР связан стремительный рост производства и увеличение изъятия из природы различных видов сырья. Новые технические возможности позволили человеку выйти в космос, начать освоение районов с экстремальными условиями, где природные комплексы отличаются необыкновенной ранимостью.

Изменения в природной среде, нараставшие до этого времени постепенно, приобрели лавинообразный характер. Но в это же время применение новых технологий позволило сократить расходы сырья на единицу произведенной продукции. Благодаря достижениям НТР появились новые, эффективные способы защиты окружающей среды, с этими же достижениями связаны и перспективы ее оздоровления. Помощь окажется действенной в том случае, если союзниками нашими будут научная мысль и современные достижения техники.

Многогранность проблем, возникающих в процессе взаимодействия природы и общества, их взаимосвязь с проблемами общественной сферы, разные территориальные масштабы определяют необходимость разделить их на проблемы:

- глобальные, имеющие планетарный, общечеловеческий характер, решение которых возможно лишь на общечеловеческом уровне (например, разрушение озонового слоя атмосферы, парниковый эффект);

- региональные, актуальные для крупных территорий, нередко выходящих за пределы одного государства, решение которых возможно на общегосударственном или межгосударственном уровне (например, проблемы Приазовья, Рейна или Альпийского региона, Чернобыль);

- локальные (местные) наиболее ограниченного характера, касающиеся как территориальных комплексов, так и единичных объектов, решение которых осуществимо на местном уровне (например, проблема загрязнения и деградации Амурского залива Японского моря).

Грань между территориальными уровнями условна: локальные проблемы в комплексе формируют проблемы региональные, региональные способны перерастать в глобальные.

Экологические проблемы можно также разделить на возникающие в сферах неживой природы (в атмосфере и околоземном пространстве, гидросфере и литосфере) и возникающие в биосфере.

Собственно экологические проблемы тесно смыкаются с проблемами социальными, которые возникают в общественной среде. Под их влиянием формируется морально-психологический климат среды обитания, от их состояния во многом зависит возможность реализации духовных и материальных запросов человека.

Между природной средой и обществом существуют сложные взаимодействия, обмен веществом и энергией. При этом природа воздействует на человека, а человек воздействует на природу.

Взаимоотношения общества и природы - воздействие человеческого общества (антропогенных факторов) на природу и природы (природных факторов) на здоровье и хозяйственную деятельность человека.

Расширяющееся использование природных ресурсов вследствие роста населения и развития научно-технического прогресса приводит к их истощению природных ресурсов и увеличению загрязнения природной среды отходами производства и отбросами потребления. Таким образом, ухудшение природной среды происходит по двум причинам:

1) сокращение природных ресурсов;

2) Загрязнение природной среды.

Демографический взрыв и научно-техническая революция привели к колоссальному увеличению потребления природных ресурсов. Так, ныне в мире ежегодно добывается 3,5 миллиарда тонн нефти и 4,5 тонн каменного и бурого угля. При таких темпах потребления стало очевидным исчерпание многих природных ресурсов в ближайшее время. Одновременно отходы гигантских производств стали все больше загрязнять окружающую природную среду, разрушая здоровье населения. Во всех промышленно развитых странах большое распространение получили раковые, хронические лёгочные и сердечно- сосудистые заболевания.

Первыми забили тревогу учёные. Начиная с 1968 года, итальянский экономист Аурелио Печчен стал ежегодно собирать в Риме крупных специалистов из разных стран для обсуждения вопросов о будущем цивилизации. Эти встречи получили название Римского клуба. Весной 1972 года вышла первая книга, подготовленная Римским клубом, с характерным названием «Пределы роста». А в июне того же года ООН провела в Стокгольме Первую международную конференцию по окружающей среде и развитию, которая обобщила материалы о загрязнении и его вредном влиянии на здоровье населения многих стран. Участники конференции пришли к выводу, что человек из субъекта, изучавшего экологию животных и растений, в новых условиях сам должен превратиться в объект многосторонних экологических исследований. Они обратились к правительствам всех стран мира с призывом создать для этих целей специальные государственные учреждения.

После конференции в Стокгольме экология соединилась с охраной природы и начала приобретать теперешнее большое значение. В разных странах стали создаваться министерства, департаменты и комитеты по экологии, причем их главной целью стал мониторинг окружающей природной среды и борьба с её загрязнением для сохранения здоровья населения.

Для проведения исследований по экологии человека требовалась теоретическая основа. Такой основой сначала русские, а потом и зарубежные исследователи признали учение В. И. Вернадского о биосфере и неизбежности её эволюционного превращения в среду человеческого разума - ноосферу.

8. Охрана атмосферного воздуха

Жизнь на Земле возможна до тех пор, пока существует земная атмосфера - газовая оболочка, защищающая живые организмы от вредного воздействия космических излучений и резких колебаний температуры. Атмосферным воздухом дышат все аэробные организмы. Когда хотят подчеркнуть важное значение чего-либо, говорят: «необходим как воздух». Если без пищи человек может прожить несколько недель, без воды - несколько суток, то смерть от удушья наступает через 4-5 мин.

Атмосфера - воздушная оболочка Земли имеет слоистое строение (рисунок 4). Масса воздуха в атмосфере 5,15 г 10¹⁵.

До высоты 16-18 км над экватором и 8-10 км над полюсами воздух наиболее плотный: 0,001 г/см² на уровне моря. Этот слой, в котором находится 4/5 всей массы воздуха, называется тропосферой. Нижняя часть тропосферы входит в состав биосферы, в ней существуют живые организмы. Даже современные самолеты не поднимаются выше тропосферы. Состояние тропосферы определяет погоду. При удалении от поверхности Земли в тропосфере происходит понижение температуры на 6° на каждый километр. На высоте 18-20 км плавное понижение температуры прекращается, и здесь она остается почти постоянной - 60-70 °С. Этот небольшой слой называется тропопаузой. Следующий слой - стратосфера - занимает высоту 20-50 км от земной поверхности. В ней сосредоточена остальная часть воздуха. Температура в стратосфере повышается при удалении от Земли на 1-2° на каждый километр, и в стратопаузе, на высоте 50-55 км, доходит до нуля. Далее на высоте 55-80 км располагается слой мезосферы. При удалении от Земли температура в нем понижается на 2-3 °С на каждый километр и на высоте 80 км, в мезопаузе, достигает 75-90 °С. Слои термосферы и экзосферы (наружная сфера), занимающие высоты соответственно 80-1000 км и 1000-2000 км, представляют собой наиболее разреженные части атмосферы. Здесь встречаются лишь отдельные молекулы, атомы и ионы газов, плотность которых в миллионы раз меньше, чем у поверхности Земли. Следы газов обнаружены до высоты 10-20 тыс. км от поверхности Земли.

Наибольшее значение для всех живых организмов имеет относительно постоянный состав атмосферного воздуха. В нем содержится азота (N₂) 78,3 %, кислорода (O₂) - 20,95 %, диоксида углерода (СО₂) - 0,03 %, аргона (Ar) - 0,93 % от объема сухого воздуха, небольшое количество других инертных газов. Пары воды составляют 3-4 % от всего объема воздуха.

Рисунок 4 - Схема строения атмосферы

Состав воздуха поддерживается за счет постоянно идущих процессов: использования газов живыми организмами и выделения их в атмосферу.

В последние годы происходит некоторое изменение баланса азота в атмосфере за счет хозяйственной деятельности людей. Возросла фиксация азота, включение атмосферного азота в сложные химические соединения при производстве азотных удобрений. Уменьшается поступление его в атмосферу из-за нарушения почвообразовательных процессов на больших территориях, например в Западной Сибири.

Однако из-за огромного количества азота в атмосфере проблема его баланса не так серьезна, как баланс кислорода и углекислого газа. Известно, что около 3,5-4 млрд лет назад содержание кислорода в атмосфере было в тысячу раз меньше, чем сейчас, так как не было основных продуцентов кислорода - зеленых растений.

Жизнедеятельность живых организмов поддерживается современным соотношением в атмосфере кислорода и углекислого газа. Естественные процессы потребления углекислого газа и кислорода и их поступление в атмосферу сбалансированы.

С развитием промышленности и транспорта кислород стали использовать на процессы горения. Так, на сжигание разных видов топлива сейчас требуется от 10 до 25 % кислорода, производимого зелеными растениями. Уменьшается поступление кислорода в атмосферу из-за сокращения площадей лесов, саванн, степей и увеличения пустынных территорий. Сокращается число продуцентов кислорода и в водных экосистемах из-за загрязнения рек, озер, морей и океанов. Ученые полагают, что в ближайшие 150-180 лет количество кислорода в атмосфере может сократиться на 1/3 по сравнению с современным его содержанием.

Рисунок 5 - Схема круговорота кислорода в природе

Увеличение потребления кислорода происходит одновременно с увеличением выделения в атмосферу диоксида углерода. За последние 100 лет количество углекислого газа в атмосфере увеличилось на 10-15 %, а к 2200 г. может возрасти до 25 %, т. е. с 0,0324 % сейчас до 0,04 % к концу столетия. Некоторое увеличение СО₂ в атмосфере положительно сказывается на продуктивности растений. Например, насыщение углекислым газом воздуха теплиц повышает урожайность овощей за счет интенсификации процессов фотосинтеза. Однако общее увеличение содержания СО₂ в атмосфере приводит к сложным глобальным явлениям. Углекислый газ свободно пропускает коротковолновое солнечное излучение, но задерживает тепловые лучи, идущие от нагретой земной поверхности. Это явление получило название парникового эффекта. Считается, что за счет парникового эффекта средняя температура Земли в начале XXI в. повысится на 1-1,5 °С. Дополнительный нагрев нижних слоев атмосферы дает сжигание топлива. Это особенно заметно в крупных городах, где температура в центре на 2-4 °С выше среднегодовой для данного района. Повышение среднегодовой температуры нижних слоев атмосферы Земли может вызвать таяние ледников Антарктиды и Гренландии, что приведет к повышению уровня Мирового океана, затоплению низменных участков материков, усилению тектонических процессов, изменению климата.

Противоположный эффект дает запыление и задымление атмосферы. Механические частицы отражают солнечные лучи, увеличивают отражательную способность (альбедо) Земли, уменьшают ее нагревание. Преобладание этих процессов может привести к увеличению ледниковых шапок на полюсах, резкому похолоданию и наступлению ледникового периода.

В настоящее время проводятся исследования теплового баланса Земли, чтобы найти пути управления им.

Загрязнение атмосферы может быть естественным и искусственным (или антропогенным). Естественное загрязнение происходит при извержении вулканов, выветривании горных пород, пыльных бурях, лесных пожарах, выносе в атмосферу кристалликов солей. В норме природные источники не вызывают существенных загрязнений.

Источниками искусственного загрязнения служат промышленные, транспортные и бытовые выбросы. Основные поставщики загрязнений - промышленные предприятия. Они выделяют в атмосферу несгоревшие частицы топлива, пыль, сажу, золу. В индустриальных районах выпадает свыше 1 т пылевых частиц на 1 км² в сутки. Мощными поставщиками тончайшей пыли в атмосферу служат цементные заводы.

Главный химический загрязнитель атмосферы - сернистый газ (SO₂), выделяющийся при сжигании каменного угля, сланцев, нефти, при выплавке железа, меди, производстве серной кислоты и др. Сернистый газ служит причиной выпадения кислотных осадков.

При высокой концентрации сернистого газа, пыли, дыма во влажную тихую погоду в промышленных районах возникает белый, или влажный, смог - ядовитый туман, резко ухудшающий условия жизни людей. В Лондоне во время такого смога из-за обострения легочных и сердечных заболеваний с 5 по 9 декабря 1952 г. умерло на 4000 человек больше, чем обычно.

Влажный смог лондонского типа - сочетание тумана с примесью дыма и газовых отходов производства.

Ледяной смог аляскинского типа - смог, образующийся при низких температурах из пара отопительных систем и бытовых газовых выбросов.

Сухой смог лос-анджелесского типа - смог, возникающий в результате фотохимических реакций, которые происходят в газовых выбросах под действием солнечной радиации; устойчивая синеватая дымка из едких газов без тумана.

Фотохимический смог - смог, основной причиной возникновения которого считаются автомобильные выхлопы. Автомобильные выхлопные газы и загрязняющие выбросы предприятий в условиях инверсии температуры вступают в химическую реакцию с солнечным излучением, образуя озон.

Фотохимический смог может вызвать поражение дыхательных путей, рвоту, раздражение слизистой оболочки глаз и общую вялость. В ряде случаев в фотохимическом смоге могут присутствовать соединения азота, которые повышают вероятность возникновения раковых заболеваний.

В больших городах и густонаселенных районах первенство в загрязнении атмосферы переходит от промышленности к автомобильному транспорту. С выхлопными газами в атмосферу поступают угарный газ, оксиды азота, углеводороды (в том числе обладающие канцерогенными свойствами). В некоторые сорта бензина в качестве антидетонатора добавляют тетраэтилсвинец, при этом в атмосферу с выхлопными газами поступают мелкие частички свинцовой пыли. Наибольшее количество загрязнений поступает от автомобилей с плохо отлаженными двигателями и работающими на холостом ходу.

Самое опасное загрязнение атмосферы и всей окружающей среды - радиоактивное загрязнение. Оно представляет угрозу для здоровья и жизни людей, животных и растений не только ныне живущих поколений, но и их потомков из-за появления многочисленных мутационных уродств. Последствия такого мутагенного влияния на растения, животных и человека изучены еще плохо и труднопредсказуемы. В районах умеренного радиоактивного загрязнения увеличивается число людей, заболевших лейкозами.

Источниками радиоактивного загрязнения служат экспериментальные взрывы атомных и водородных бомб. Радиоактивные вещества выделяются в атмосферу при изготовлении ядерного оружия, атомными реакторами электростанций, при дезактивации радиоактивных отходов и др.

Сейчас стало понятно, что не существует такой малой дозы ионизирующего излучения, которая была бы безопасна.

Серьезные отрицательные последствия для человека и других живых организмов влечет за собой загрязнение воздуха хлорфторметанами, или фреонами (CFCl₃, CF₂Cl₂). Их используют в холодильных установках, в производстве полупроводников и аэрозольных баллончиков. Утечка фреонов приводит к появлению их у тонкого озонового слоя в стратосфере, расположенного на высоте 20-50 км. Толщина этого слоя очень небольшая: 2 мм на экваторе и 4 мм у полюсов при нормальных условиях. Максимальная концентрация озона здесь 8 частей на миллион частей других газов. Озоновый экран поглощает жесткое ультрафиолетовое излучение с длиной волны 290 нм и менее, поэтому до поверхности Земли доходят ультрафиолетовые лучи, полезные для человека и других высших животных и губительные для микроорганизмов. При разложении фреонов под действием ультрафиолетовых лучей выделяются хлор и фтор, которые взаимодействуют с озоном. Есть опасность, что слой озонового экрана резко уменьшится, и это приведет к росту числа заболеваний раком кожи из-за проникновения на землю жесткого ультрафиолетового излучения. Утончение озонового экрана, появление озоновых «дыр» отмечено над территориями Антарктиды, Австралии, Южной Америки, некоторых районов Евразии.

Рисунок 6 - Уменьшение содержания озона в атмосфере в Северном полушарии в 1970 - 1990 (на 2 - 4,5 %)

Атмосфера обладает способностью к самоочищению. Оно происходит при вымывании аэрозолей из атмосферы осадками, турбулентном перемешивании приземного слоя воздуха, отложении загрязненных веществ на поверхности земли и т. д. Однако в современных условиях возможности природных систем самоочищения атмосферы серьезно подорваны. Под массированным натиском антропогенных загрязнений в атмосфере стали проявляться весьма нежелательные экологические последствия, в том числе и глобального характера. По этой причине атмосферный воздух уже не в полной мере выполняет свои защитные, терморегулирующие и жизнеобеспечивающие экологические функции.

Для каждого вредного вещества в воздухе устанавливают нормативы: ПДК в воздухе рабочей зоны (ПДКр.з) - концентрация, которая при работе не более 41 часа в неделю в течение всего рабочего стажа не может вызвать заболеваний у работающих и их потомства.

Для защиты воздушного бассейна от негативного антропогенного воздействия в виде загрязнения его вредными веществами используют следующие меры:

- экологизацию технологических процессов;

- очистку газовых выбросов от вредных примесей;

- рассеивание газовых выбросов в атмосфере;

- устройство санитарно-защитных зон;

- архитектурно-планировочные решения и др.

Наиболее радикальная мера охраны воздушного бассейна от загрязнения - экологизация технологических процессов и в первую очередь создание замкнутых технологических циклов, безотходных и малоотходных технологий, исключающих попадание в атмосферу вредных загрязняющих веществ.

В целом защита атмосферного воздуха от загрязнений должна проводиться не только в региональном или местном масштабе, а в первую очередь в глобальном, поскольку воздух не знает никаких границ и находится в вечном движении.

9. Охрана земельных ресурсов и почв

9.1 Анализ состояния земельного фонда планеты

По данным аэрокосмических исследований, проведенных в 80-е годы, не затронутых хозяйственной деятельностью земель осталось лишь около 38 млн. км² , т.е. 28 %, не считая материковых льдов. Нарушение естественных экосистем на большей части территории суши - самый существенный результат экономики техногенеза, более серьезный, чем глобальное изменение климата.

Из 149 млн. км² площади суши на долю земель, пригодных для хозяйственного освоения и в значительной степени уже освоенных, приходится лишь около 60 млн. км².

В настоящее время площадь занятых и возделанных человеком земель близка к 25 млн. км² (1/6 площади суши). Из них около 10 млн. км² заняты городами и другими поселениями, сооружениями, коммуникациями, полигонами, горными выработками, т.е. техногенными ландшафтами, исключающими на этих землях биосферную регуляцию. Остальные 15 млн. км² заняты агроценозами, пашней, т.е. также сильно измененными ландшафтами. Площадь постоянных пастбищ для сельскохозяйственных животных близка к 25 млн. км². Следовательно, под прямым контролем человека находится около 50 млн. км². По мнению экологов, эта площадь уже превышает допустимый предел земельных ресурсов, подлежащих хозяйственному использованию, в том числе и для интенсивного земледелия. Площадь пашни может быть увеличена лишь за счет пастбищ и лесов, что чревато серьезными эколого-экономическими потерями.

Землепользование на большой площади сельскохозяйственных угодий имеет истощительный характер: нарушается агротехника, недостаточно или неправильно вносятся удобрения, отклик урожая на внесение удобрений невысокий.

Основные причины утраты части земельных ресурсов сельского хозяйства:

- эрозия почвы - смыв или сдувание поверхностного, наиболее плодородного слоя почвы водой и ветром;

- потеря гумуса и снижение плодородия вследствие неправильной агротехники, в основном из-за отсутствия севооборотов и недостаточного возвращения в почву питательных веществ;

- подтопление и вторичное засоление почвы, вызываемое бездренажным орошением неконтролируемой подачей воды;

- машинная деградация почвы (переуплотнение, нарушение структуры пахотного слоя, смешивание его с подстилающей породой и т.п.);

- химическое и радиационное загрязнение почвы.

Одним из наиболее серьезных проявлений деградации земель является техногенное опустынивание, вызванное деятельностью человека и изменениями климата. Большая площадь современных пустынь имеет антропогенное происхождение. От деградации почвы уже пострадали 70 % засушливых земель планеты (3,6 млрд. га) - территория, по площади втрое превышающая Европу. Скорость опустынивания в мире сейчас достигла 7 - 10 млн. га в год. Кроме этого, ежегодно еще 20 млн. га теряют продуктивность из-за эрозии и наступления песков. Примерно такова же и скорость сокращения площади лесов. Это одна из самых длительных и грозных тенденций утраты природы.

Поверхность Земли испытывает самую значительную антропогенную нагрузку. Если в атмосферу выбрасывается менее 1 млрд. т вредных веществ (без СО₂), а в гидросферу - около15 млрд. т загрязнителей, то на землю попадает ежегодно примерно 85 млрд. т антропогенных отходов. По некоторым оценкам, их общий объем к концу 90-х годов превысил 1500 км³, что соответствует объему 600 тыс. пирамид Хеопса. Если даже преобладающая часть этого объема химически инертна, то для того, чтобы разместить его на земле, человек уничтожает природные экосистемы на значительной площади.

На каждого жителя Земли приходится в среднем за год 0,12 т отходов потребления, 1,2 т всех продуктов производства («отложенных» отходов) и около 14 т отходов переработки сырья. С экоцентрической точки зрения вся масса отходов опасна. Но для человека считается опасной лишь их часть - те, которые обладают тем или иным уровнем токсичности.

Существуют различные оценки опасности отходов, загрязняющих землю. Наиболее опасны те токсичные терраполлютанты, которые и геохимически, и биохимически достаточно подвижны и могут попасть в питьевую воду или в ткани растений, служащих пищей для человека и сельскохозяйственных животных. Это, в первую очередь, соединения тяжелых металлов, некоторые производные нефтепродуктов - полициклические ароматические углеводороды (ПАУ) и соединения типа диоксинов, а также разнообразные синтетические яды - биоциды. Кроме них, в связи с определенной вероятностью технических аварий, террористических актов и вооруженных конфликтов чрезвычайно высокую опасность представляют боевые отравляющие вещества (ОВ) и радионуклиды.

Основными загрязнителями почвы антропогенного происхождения являются:

- твердые и жидкие отходы добывающей, перерабатывающей и химической промышленности, теплоэнергетики и транспорта;

- отходы потребления, в первую очередь твердые бытовые отходы (ТБО);

- сельскохозяйственные отходы и применяемые в агротехнике ядохимикаты;

- токсичные вещества, содержащиеся в атмосферных осадках;

- аварийные выбросы и сбросы загрязняющих веществ.

Удалить отходы можно несколькими известными способами:

закопать (требуются новые территории и значительные расходы на земляные работы, изоляцию и последующую рекультивацию);

затопить (сохраняется опасность загрязнения гидросферы);

сжечь (загрязняются атмосфера и гидросфера);

утилизировать.

Последний вариант предпочтителен, но реален лишь для небольшой части отходов и содержит немало технических, экономических и организационных трудностей. В развитых странах мира (США, Германия) сейчас утилизируется всего лишь 10 % ТБО.

Итак, главные загрязнители земли - это тяжелые металлы, пестициды, нефтепродукты и их высокотоксичные производные.

По токсичности, присутствию в современной окружающей среде и вероятности попадания в живые организмы может быть выделена приоритетная группа тяжелых металлов (ТМ): свинец, ртуть, кадмий, мышьяк, таллий, висмут, олово, ванадий, сурьма. Несколько меньшее значение имеют хром, медь, цинк, марганец, никель, кобальт, молибден и селен. Все эти ТМ токсичны по отношению к человеку и высшим животным. Они попадают в организм с пищей, водой, при вдыхании загрязненного воздуха, и в зависимости от химической формы их соединений с той или иной скоростью (иногда довольно быстро) выводятся из организма. Но незначительная их часть задерживается в органах и тканях, вступая в соединение с биогенными элементами и радикалами. Так как эти элементы не участвуют в нормальном обмене веществ и для большинства из них характерны длительные периоды полувыведения (от и месяцев до десятков лет), происходит постепенное накопление ТМ, ведущее к различным нарушениям и хроническим заболеваниям.

...