Выделяют два противоположных типа экологического сознания. В современном обществе доминирует антропоцентрическое сознание (антропоцентризм), согласно которому человек - центр и высшая цель мироздания. Целью взаимодействия человека с природой является удовлетворение тех или иных его потребностей и на это взаимодействие не распространяются этические принципы и нормы. Природа воспринимается как объект человеческой деятельности, правильным считается то, что полезно человеку. Развитие природы мыслится как процесс, подчиняющийся целям и задачам человека. В наши дни ещё сильно убеждение, что люди благодаря науке и практическому усилию могут и должны “сделаться хозяевами и господами природы”. Такое мировоззрение присутствует в общественном сознании, начиная с классической античности. Наиболее ярко антропоцентрический взгляд выражен, по мнению философов и специалистов, в области этики в концепции христианской морали [11]. Её основные положения:

* Бог - царство священного и таинственного - олицетворяет природу.

* Человек создан по образу и подобию божьему и тем самым обособлен от всей остальной природы.

* Бог предоставил человеку управление природным миром.

* Бог заповедал человеку размножаться и покорять природу.

Богоподобие человека является основанием для него считать себя высшей ценностью. Эти положения хорошо иллюстрируют особую роль, главенствующее значение человека для природы. Несмотря на то, что в подавляющем большинстве случаев крупнейших вторжений в природную среду, последствия неизвестны, люди ведут себя до аномальности странно. Они оправдывают свои действия, пользуясь тремя основными приёмами страуса, зарывающего при опасности голову в песок: принципом инстинктивного отрицания-признания, принципом обманчивого благополучия и принципом удалённости события [10].

Принцип инстинктивного отрицания-признания состоит в том, что отрицаемые человеком факты он неосознанно исключает, а фактам, признаваемым верными, придаёт больший вес, чем они имеют в реальности. В итоге получается результат, который он желал и подсознательно к нему стремился. В связи с этим бессмысленны все споры “зелёных” и технологов. Ибо и те и другие с полной уверенностью будут находить факты, свидетельствующие “за” и “против” любой технологии. Нужна всегда третья сторона, которая даст объективную оценку, экспертизу данных.

Принцип обманчивого благополучия или эйфории первых успехов связан с излишней поспешностью суждений - первые успехи или неудачи в природопользовании могут быть кратковременными: успех мероприятия може быть оценен лишь через годы или десятки лет, после выяснения хода и результатов природных цепных реакций (вспомните трагедию Арала).

Принцип удалённости события состоит в том, что явления, отдалённые во времени и пространстве, психологически кажутся менее существенными. Наивно считать, что потомки что-нибудь придумают и исправят положение. Нужно учитывать, что число степеней свободы в действиях потомков будет убывать, а не возрастать, и то, что можно исправить сейчас, завтра будет исправлять уже поздно.

Эти принципы мешают рациональной экологической политике. Технократический стиль мышления современного человечества привёл к тому, что на земле практически не осталось мест с ненарушенными экосистемами, масштабы воздействия человека на биосферу уже превысили в ряде случаев её адаптационные возможности. Человечество столкнулось с глобальными экологическими проблемами, решать которые нужно уже сегодня. Тысячелетиями человек преобразовывал природу, делал всё, чтобы подняться над нею, победить её. Став великаном, человек увидел, что это гибельно для него, если не сейчас, то в обозримом будущем. По своей сути антропоцентрическое сознание является антиэкологическим, поэтому многие учёные считают неуместным употребление термина “антропоцентрическое экологическое сознание”.

В последние годы во многих странах произошла экологизация морального сознания, изменились ценностные ориентации. Природа получила статус самостоятельной ценности в силу её уникальности, единства и неповторимости. Сформировалось новое экоцентрическое экологическое сознание, согласно которому человек и общество выступают как элементы единой системы, вне которой их существование невозможно. Отношения с природой строятся на принципах равноправия в силу доминирования непрагматической мотивации и распространения на мир природы этических норм и правил. Правильным считается то, что не нарушает существующего в природе экологического равновесия. Цель взаимодействия природы и человека - это не только удовлетворение потребностей человека, но и потребностей всего природного сообщества. Природа выступает равноправным субъектом. Сохранить природу необходимо для неё самой и ради людей.

Экоцентрическая направленность сознания характерна для молодых людей 17-19 лет, для которых природа обладает самостоятельной ценностью независимо от её использования. Восприятие природы взрослыми более прагматично. Большую роль в этом сыграло образование, подготовка специалистов разного профиля всегда предусматривала прагматический подход: природа рассматривалась как национальное богатство страны и условие обеспечения экономического роста. Отсюда появились присваивающие формы поведения.

Выбор человека в той или иной ситуации определяется либо рациональными соображениями, здравыми рассуждениями о последствиях принятия решений, либо эмоциональными страстями, часто далёкими от интересов дела. При выборе в экологической области необходимо, чтобы главенствовало рациональное, разумное начало, только тогда выбор будет ответственным. Нравственность всегда была самым уязвимым местом всех социальных программ. Невозможно предложить такой набор правил и принципов, который бы удовлетворил всех. Доминирование в сознании человека антропоцентрического мировоззрения очевидно, и главная задача современного образования - воспитание нового экоцентрического мировоззрения. Новый тип мышления, который должен быть выработан у человека, будет характеризоваться глубоким серьёзным осмыслением экологической ситуации в мире, необходимости привлечения для экологических нужд достижений НТР, наивысших технологий.

Американский эколог Барри Коммонер сформулировал четыре “закона”, следование которым позволило бы скорректировать поведение человека. Законы просты, но при правильной их интерпретации имеют очень глубокий смысл.

“Законы” Барри Коммонера

1. Всё связано со всем.

Это означает, что возмущения в одной части сложной системы (например, в биосфере) неизбежно вызывают изменение в других её частях, которые ведут к нейтрализации возмущения или при превышении его порога к ещё большей деформации системы. Сложность обнаружения связей связана с парадоксами:

- парадокс многозвенности. Связи в системах могут быть многозвенными, а человек может этого не видеть;

- парадокс кумулятивности. Фактор медленно растёт до какого-то порога, а затем происходит резкий рост, накопление эффекта. Например, необратимое накопление в экосистемах токсикантов, таких как свинец, ртуть. Нет возможности предсказать, а когда эффект становится заметен и на него обращают внимание, то уже поздно;

- парадокс разрыва причины и следствия во времени. Мелких изменений мы не замечаем, поэтому нужен постоянный контроль, анализ. Человек не видит причинно-следственную связь. Например, человек, облучённый маленькими дозами, через 25-30 лет получит злокачественную опухоль. Умение связать причину и следствие говорит о культуре человека.

2. Всё должно куда-то деваться.

Это важное требование поддержания природного баланса. В отличие от человеческого производства и быта живая природа практически безотходна. Все опавшие листья, засохшие стебли, трупы животных становятся пищей для других организмов - насекомых, червей, грибов, бактерий. Они разлагаются до простых соединений и вновь потребляются растениями. При этом в биосфере всегда соблюдается баланс скоростей синтеза и распада. Степень замкнутости круговоротов веществ в биосфере очень высока. Деятельность человека привела к нарушению этой замкнутости. Человек создал вещества, не перерабатываемые природой, и тем самым нарушил динамическое равновесие. Например, нет бактерий, разлагающих полиэтилен, пестициды разлагаются очень медленно или не разлагаются совсем. Скорость производства в человеческом обществе превышает скорость распада и понимания вреда. Человек применяет различные технологии очистки, нейтрализации отходов, но то, что остаётся в золе, шлаках, в очистных устройствах тоже должно куда-то деваться. Существующие способы изоляции конечных продуктов не предотвращают дальнейшего загрязнения, а лишь растягивают его во времени, отодвигая негативные эффекты в будущее.

3. Природа знает лучше.

Человечество подобно человеку, незнакомому с устройством часов, но пытающемуся их чинить, пыталось решить экологические проблемы, не имея абсолютно достоверной информации о механизмах и функциях природы. Природа определяет, что может, а что не должно иметь места в биосфере. Возможность и право такого знания выработаны в ходе эволюции на протяжении миллиардов лет путём чередования актов отбора, проб и ошибок. Природа тщательно подгоняла каждое вещество, каждую новую форму жизни ко всему комплексу условий существования. Все в природе от простых молекул до высших животных и человека должны были пройти очень жестокий конкурс на вакансию в биосфере. Сегодня планету населяет лишь одна тысячная часть испытанных эволюцией видов животных и растений. Каждое отобранное эволюцией живое существо уникально. У каждого организма есть своя ниша в биосфере.

Люди создали множество вещей, которых нет в природе. Технический прогресс достиг небывалых высот, его побочным эффектом стала человеческая самонадеянность, убеждение в превосходстве над природой, идеология природопокорительства. Многое из того, что создал человек, природа и вправду не имеет, но не по тому, что не смогла создать, а потому, что не посчитала нужным, или испробовала и не стала развивать. По некоторым характеристикам, таким как прочность, мощность, дальность передачи сигналов, техника превзошла живые системы. Однако по совершенству конструктивных решений, по экономичности и здравому смыслу, по изобретательности использования законов природы биологические системы намного совершеннее технических устройств. Например, сопоставим дельфина и подводную лодку (гидродинамика дельфина совершенна), лист растения и солнечную батарею, компьютер и человеческий мозг. Живые системы совершенны. Существует даже наука бионика - наука о применении принципов действия живых систем и биологических процессов для решения инженерных задач [2]. Она переводит гениальные находки и идеи природы на язык человеческой техники и решает их другими средствами.

Превосходство относится и к экологическим системам: они более лабильны и жизнеспособны по сравнению с искусственными системами, не способными к самоподдержанию без участия человека. У любого вещества, выработанного организмами в природе, должен существовать разлагающий его фермент. Все продукты распада должны вновь вовлекаться в круговорот. Таковы условия существования жизни. С каждым биологическим видом, который нарушает этот закон, рано или поздно эволюция беспощадно расставалась. Природа находила на его место другой вид, отвечающий этому правилу.

4. Ничто не даётся даром (за всё нужно платить).

Трудно определить цену, которую заплатит Homo sapiens за монополию в биосфере. Не существует бесплатных ресурсов: вода, солнечный свет, кислород, пространство. Какими бы неисчерпаемыми они ни казались, они конечны. Действует закон “ограниченности ресурсов”. За их расходование человек платит и плата эта дороже обычной денежной стоимости потребляемых ресурсов. Всё, что изъято человеческим трудом, должно быть возмещено. Глобальная экосистема - единое целое, где ничего не может быть выиграно или потеряно, круговорот должен быть восстановлен. Нынешний кризис окружающей среды говорит о том, что отсрочка платежа человечества природе очень затянулась.

Лекция 6

Антропогенное воздействие на биосферу

Рост техносферы в XX веке. Виды воздействия человека на окружающую среду. Загрязнение атмосферы и его глобальные следствия: кислотные осадки, изменение концентрации озона в стратосфере и образование озоновых дыр, парниковый эффект и изменение климата.

Масштабы антропогенного воздействия напрямую связаны с развитием цивилизации. Современное мировое хозяйство можно рассматривать как новую экологическую нишу человечества - техносферу.

Техносфера - это глобальная совокупность орудий, объектов, материальных процессов и продуктов общественного производства, пространства Земли, находящееся под воздействием производственной деятельности человека и занятое её продуктами.

По многим параметрам она совпадает с биосферой и потому неизбежна конкуренция между активными элементами техносферы и биосферы, между общественным производством и планетарной биотой. Эти отношения намного сложнее, чем межвидовые взаимоотношения в природе, но многие их черты выглядят как конкурентное вытеснение биосферы техносферой (табл.1).

Таблица 1. Рост техносферы и потери биосферы в XX веке [2]

Показатель	Начало века	Конец века
Валовой мировой продукт, млрд дол./год	60,0	25000,0
Энергетическая мощность техносферы, ТВт	1,0	14,0
Численность населения, млрд чел.	1,6	6,0
Площадь лесов, млн км2	57,5	49,0
Рост пустынь, млн км2	-	1,7
Сокращение числа видов, %	-	20,0
Риск техногенных поражений людей, %	0,5	2,5
Площадь суши, занятая техносферой, %	17,0	30,0

Вряд ли остались участки живой природы, которые не испытали на себе действие техногенеза. Общая масса техносферы сегодня сопоставима с биомассой живого вещества всей биосферы. Человек стремится к занятию всевозможных экологических ниш и поэтому оказывает сильное влияние на биосферу, вытесняя природные экологические системы и процессы. Наиболее серьёзно вмешательство человека в биосферный обмен органических веществ. Техносферный круговорот веществ существенно разомкнут и в количественном, и в качественном отношениях. При этом техногенный массообмен составляет заметную часть глобального круговорота веществ, своей разомкнутостью (степень замкнутости круговорота веществ в биосфере 99,9 %, в техносфере <10 %) нарушает необходимую высокую степень замкнутости биотического круговорота, которая выработана в длительной эволюции и является важнейшим условием стационарного состояния биосферы. Это означает серьёзное нарушение биосферного равновесия. Воздействия человека на природу имеют весьма разнообразные формы.

Воздействия человека на природу можно классифицировать по способу реализации на прямые и опосредованные (косвенные) [12].

Прямое воздействие - это непосредственное, но отнюдь не желаемое и планируемое. Так, например, вырубка лесов в бассейне реки приводит к усыханию притоков, снижению уровня грунтовых вод.

Непреднамеренные изменения природной среды в результате цепи природных реакций, каждая из которых влечёт за собой изменение других, не связанных с нею первичных и вторичных явлений, вследствие хозяйственных мероприятий, называются опосредованными воздействиями на природу. Пример цепной реакции: исчезновение насекомого опылителя приводит к невозможности плодоношения растения, появления новых поколений вида, размножающихся только семенами. Это ведёт к исчезновению животных, связанных с этими растениями.

Примером вторичных явлений может быть образование токсичных веществ при так называемом вторичном загрязнении окружающей среды, которое происходит при синтезе опасных загрязнений в ходе физико- химических процессов, идущих непосредственно в природной среде. Очень часто продукты трансформации могут сильнее воздействовать на окружающую среду, чем исходные вещества, образующиеся в результате техногенной деятельности человека. Например, инертные у поверхности Земли фреоны вступают в стратосфере в фотохимические реакции, дают ионы хлора, которые служат катализаторами разрушения озонового слоя Земли.

Первичные загрязнения, в отличие от вторичных, поступают в природную среду при их непосредственном образовании в ходе антропогенных процессов. Поэтому экологическую ситуацию нужно всегда оценивать по опосредованным воздействиям на окружающую среду. Технологи должны знать всю цепь превращений веществ, выбрасываемых в окружающую среду производством, на котором они работают.

Сумму прямых и опосредованных влияний человека на окружающую среду называют антропогенным (от греч. anthropos - человек, genos - происхождение) воздействием. Совместное воздействие нескольких факторов может быть [13].

1. Аддитивное (от лат. additio - прибавление) - совокупное воздействие нескольких факторов как результат простого суммирования воздействий каждого из факторов, взятых по отдельности. Например, влияние ТЭЦ на города и посёлки. Загрязнение атмосферного воздуха усугубляется шумом энергетических установок, электромагнитным и ионизирующим излучением.

2. Кумулятивное (от лат. cumulatio - увеличение, скопление) - суммирование всех порций одного фактора с усилением общего влияния, но сохранением характера воздействия. Например, воздействие на организм человека ионизирующего излучения. В организме идёт накопление радиоактивных веществ. Однако характер воздействия может меняться вследствие количественного увеличения. Так, малые дозы на уровне фоновых безвредны для организма человека, а с увеличением дозы нарушения возрастают, вплоть до летального исхода.

3. Синергическое (от греч. syn - вместе, ergon - работа) комплексное воздействие нескольких факторов, при котором общий эффект оказывается иным, чем при воздействии каждого фактора порознь. Синергическое воздействие может проявляться как в увеличении, так и в уменьшении силы воздействия одного фактора при наличии одного или нескольких других факторов. Например, пониженное сопротивление экосистем - результат синергического воздействия.

Все антропогенные изменения в природе можно свести к двум процессам: разрушению и загрязнению.

Загрязнение - поступление в естественную природную среду любых веществ и энергии, вызывающих изменение её состава, свойств и оказывающих вредное воздействие на живую и неживую природу. С экологической точки зрения все продукты техносферы, не вовлекаемые в биотический круговорот, являются загрязнителями. Даже те, которые химически инертны, поскольку они занимают место и становятся баластом экотопов. В более узком значении загрязнителями - поллютантами (от лат. pollutio - марание) - считают отходы и продукты, которые могут оказывать более или менее специфическое негативное влияние на качество среды. В зависимости от загрязнённых сред различают аэрополлютанты, гидрополлютанты и терраполлютанты. Загрязнения выступают на первый план потому, что они значительны и трудно контролируются, чреваты непредвиденными эффектами.

Загрязнение атмосферы

Техногенные выбросы в воздушную среду насчитывают десятки тысяч различных веществ. Самые распространённые из них и многотоннажные: твёрдые частицы (пыль, дым, сажа) оксид углерода (CO), углекислый газ (CO2), диоксид серы (SO2), оксиды азота (NO и NO2), углеводороды, соединения фосфора, сероводород (H2S), аммиак (NH3), хлор и фтористый водород (HF). Общая масса выбрасываемых в воздушную среду мира загрязнений, которые можно измерить, составляет около 800 млн т/год, в том числе в России 48 млн т/год [2]. В пересчёте на одного жителя Свердловской области ежегодно выбрасывается в атмосферу 434 кг загрязняющих веществ [14]. Сюда не входит та часть вредных веществ, которая улавливается с помощью различных средств очистки отходящих газов. Наибольшая загрязнённость приурочена к индустриальным регионам. Около 90 % выбросов приходится на 10 % территории суши и сосредоточены в основном в Северной Америке, Европе и Восточной Азии.

Основной вклад в загрязнение воздушного бассейна России вносят такие отрасли промышленности, как электроэнергетика (ТЭС), цветная и чёрная металлургия. В загрязнение городов существенный вклад до 60-80 % вносит автотранспорт (например, Москва - 88 %, Санкт-Петербург - 71 %). Несоответствие транспортных средств экологическим требованиям при продолжающемся увеличении транспортных потоков приводит к постоянному возрастанию загрязнения атмосферного воздуха. Автотранспортные загрязнения связаны со сжиганием топлива. Число двигателей внутреннего сгорания в мире в 2000 году приблизилось к 1 млрд. Из них 85 % - двигатели автомобилей, остальное количество относится к другим видам транспорта, с/х машинам, военной технике. Из общего числа легковых автомашин примерно 40 % сосредоточено в США, 10 % - в Японии и 20 % - в четырёх европейских странах: ФРГ, Франция, Италия и Великобритания [15].

Автомобиль с карбюраторным двигателем при сжигании 1 кг бензина потребляет 13,5 кг воздуха и выбрасывает 14,5 кг отработанных веществ (табл. 2). Выбросы дизельного двигателя меньше.

Таблица 2. Состав отработавших газов автомобиля,

% по объёму (карбюраторные двигатели) [2]

N2	72,0 - 75,0
O2	0,3 - 0,8
H2O	3,0 - 8,0
CO2	10,0 - 14,5
CO	0,5 - 1,3
NOх	0,1 - 0,8
CхHy	0,2 - 0,3
Альдегиды	0 - 0,2
Частицы, г/м3	0,1 - 0,4
Бенз(а)пирен, мкг/м3	10,0 - 20,0

В выхлопе автомобиля регистрируется до 200 различных веществ. При сгорании различных видов топлива в окружающую среду выбрасываются и тяжёлые металлы.

Соединения свинца в отработавших газах появляются в случаях применения тетраэтилсвинца - антидетонационной присадки к низкооктановым бензинам. В 1 л бензина до 1 г тетраэтилсвинца, который выбрасывается с выхлопными газами. На 1 км близ дороги при интенсивном движении накапливается до 500-700 г свинца. По пищевым цепям свинец попадает в организмы животных и человека.

Намного токсичнее свинца тяжёлый металл - кадмий [16]. В Балтийское море ежегодно поступает около 200 т кадмия, из них 45 % из воздуха. Кадмий начал находить большое техническое применение лишь 3-4 последних десятилетия. Он содержится в мазуте, дизельном топливе и освобождается при его сжигании; используется в качестве присадки к сплавам при нанесении гальванических покрытий; в качестве стабилизатора при производстве пластмасс.

Влияние газообразных загрязнений и тяжёлых металлов на здоровье человека будет рассматрено в разделе токсикологии. Очень большой вред здоровью человека наносит смог - явление, характерное для Лондона, Парижа, Лос-Анжелеса, Нью-Йорка и других городов Европы и Америки.

Смог (фотохимический туман) - многокомпонентная смесь газов и аэрозольных частиц. В состав смога входят озон (O3), оксиды азота и серы, органические соединения перекисной природы. Их в совокупности называют фотооксидантами. Возникает смог в атмосфере при определённых условиях: наличие высокой концентрации углеводородов и оксидов азота, интенсивной солнечной радиации и безветрия или очень слабого обмена воздуха в приземном слое. Безветренная погода необходима для создания высокой концентрации реагирующих веществ. Такие условия чаще всего создаются летом. Солнечная радиация вызывает расщепление диоксида азота с образованием оксида азота и атомарного кислорода:

NO2 + hн > NO + O*

O* + O2 > O3

Казалось бы, O3 + NO > NO2 + O2, но эта реакция не идёт. Оксид азота вступает в реакции углеводородами выхлопных газов, которые расщепляются и дают осколки молекул и избыток O3. Возникает циклическая реакция и в атмосфере постепенно накапливается озон. В ночное время этот процесс прекращается. Озон вступает в реакции с углеводородами, образуются различные перекиси, которые и дают характерные для фотохимического тумана оксиданты. Фотооксиданты - источник свободных радикалов, отличающихся особой реакционной способностью. Смоги являются часто причиной преждевременной смерти городских жителей с ослабленным здоровьем.

Загрязнение атмосферы приводит к трём глобальным последствиям:

- изменению климата Земли;

- кислотным осадкам;

- изменению концентрации озона в стратосфере и образованию озоновых дыр.

Кислотные осадки

Постоянное поступление в атмосферу больших количеств оксидов серы и оксидов азота, а также изредка в результате аварийных выбросов хлористого водорода (HCl), приводит к кислотным осадкам. Основные источники таких выбросов - это продукты сгорания топлива (угля, мазута, бензина и т. д), выбросы химических и металлургических предприятий. Известно, что в нейтральной среде содержание ионов водорода pH = 7 (pH = - lg [H+]). Кислотными осадками называются дожди, туманы, снег, которые имеют pH < 7.

Оксиды серы и азота находятся в атмосфере достаточно длительное время, претерпевают ряд химических превращений и из них образуются серная и азотная кислоты. В атмосфере происходит много химических превращений, запишем только суммарные (брутто) реакции:

2SO2 + 2H2O + O2 > 2H2SO4

4NO2 + 2H2O + O2 > 4HNO3

4NO + 2H2O + 3O2 > 4HNO3

Самоочищение атмосферы происходит за счёт влажной и сухой седиментации (выпадения). Условия образования облаков - пересыщенность. Воздух содержит больше водяного пара, чем может при данной температуре. При подъёме воздушных масс вверх они остывают, и способность накапливать воду снижается. Начинается конденсация водяного пара. Капельки возникают только на частицах аэрозоля - ядрах конденсации. Ядрами конденсации выступают оксиды серы и азота. Таким образом, вода облаков - это ни в коем случае не чистая вода, а раствор атмосферных микроэлементов. Кислотные осадки антропогенного происхождения заметно изменили значение pH окружающей среды. Около 150 тыс. лет назад при образовании ледяного покрова Гренландии величина pH осадков составляла 6,0ч7,6 (по результатам анализов полярных льдов). Во второй трети XX века pH атмосферных осадков составляет 4,0-4,5 в Германии; 2,5ч2,7 в Шотландии и Норвегии; 4,0ч4,5 в США и Японии [3]. На рис. 7 приведена кислотность осадков на земном шаре [17]. Из рис. 9 видно, что разброс значений рН в основном заключён в интервале 4ч6,3. Тем не менее наблюдаются осадки как с более низким, так и с более высоким значением рН. Например, в Китае в 1981 г. зафиксированы осадки pH = 2,25. Специалисты считают, что это результат техногенной деятельности человека, так как за последние несколько сотен лет заметных изменений во вкладе в кислотные осадки со стороны природных процессов не происходило.

Сухие выпадения происходят под действием турбулентной диффузии, в осадок выпадают вещества, находящиеся в газообразном состоянии или адсорбированные на пылевидных частицах. Количество соединений серы, выпавших в сухой седиментации, в 2 раза больше, чем азота.

Скорость осаждения зависит от характера подстилающей поверхности. Больше всего она для влажной травы и кустарника до 30 мм/с. Средняя высота распределения диоксида серы и сульфатов для условий Европы составляет 1200-1500 м (не более 2000 м). Отдельные молекулы и частицы размером единиц мкм практически неоседаемы и могут поглощаться земной поверхностью.

Значение pH окружающей среды чрезвычайно важно с экологической точки зрения.

1. Это прежде всего процессы в живых организмах, связанные с действием ферментов, гормонов, регулирующих обмен веществ, рост и развитие. Особенно низкое значение рН сказывается на обитателях водоёмов и рек, где организмы адаптировались к pH = 6-7. В подкислённой среде гибнут яйцеклетки, молодь водных обитателей. Изменения затрагивают пищевые цепи, сокращая сначала популяции птиц и животных, питающихся обитателями вод, а затем и хищников.

2. Кислотные осадки вызывают деградацию лесов, особенно хвойных. Попадая на листья и хвою деревьев, кислоты разрушают защитный восковой налёт, что делает растения более уязвимыми для патогенных организмов, снижает их сопротивляемость болезням, способствует большему испарению влаги.

3. Под действием кислотных осадков существенно ускоряется коррозия металлов, нарушается целостность лакокрасочных покрытий, стёкол, разрушаются здания и памятники архитектуры. Из минеральных строительных конструкций и стёкол выщелачиваются карбонаты и силикаты.

4. При взаимодействии с почвенным покровом усиливается процесс выщелачивания биогенов. При pH < 4 снижается активность редуцентов и азотфиксаторов, обостряется дефицит питательных веществ и почвы теряют плодородие.

5. Выщелачиваются тяжёлые металлы из почв и горных пород, ранее находившиеся в нерастворимых соединениях. Повышается токсичность металлов, попадающих в реки и озёра. Например, в кислой среде возрастает растворимость Al(OH)3. При концентрации Al3+ > 0,3 мг/л среда становится токсичной для рыб.

Изменение концентрации озона в стратосфере и образование озоновых дыр

Одной из острых проблем экологии является воздействие человека на химические процессы, протекающие в стратосфере и связанные с образованием озона.

Озон содержится в стратосфере в малых количествах и образует на высоте 15-25 км озоновый слой, толщина которого составляет в среднем 3 мм. Фотохимическая теория образования озона была предложена в 1930 г. С. Чепменом:

- реакции образования озона

O2 + hн > O+O (л < 175 нм);

O2 + O + М (О2/N2) > O3 + М*;

- реакции разрушения озона

O3 + О> 2O2 + 392 кДж;

O3 + hн> O+O2 (л < 310 нм).

Озон имеет существенное эколого-биологическое значение. Он служит охранным щитом от жёсткого ультрафиолета, задерживая опасную для всего живого на Земле часть радиации Солнца с длинами волн менее 285 нм, значительно ослабляя излучение в диапазоне длин волн 285-315 нм. По своему воздействию на живые организмы ультрафиолет близок к ионизирующему излучению, однако из-за большей длины волны он не способен проникать глубоко в ткани, поэтому поражает только поверхностные органы. Жёсткий ультрафиолет способен вызвать рак кожи, катаракту, иммунную недостаточность. Кроме того, жёсткий ультрафиолет плохо поглощается водой и представляет опасность для морских экосистем. Погибает планктон, обитающий в приповерхностных слоях воды, а он находится в основании пищевых цепей.

Экзотермическая реакция разложения озона приводит к нагреванию стратосферы и препятствует выхолаживанию нижних слоёв атмосферы из-за конвективного переноса тепла.

Установлено существенное влияние на озоновый слой различных веществ естественного и антропогенного происхождения, которые вызывают дополнительное разрушение озона. Это вулканические извержения, содержащие хлор, разложение минеральных удобрений, выделяющих закись азота, ядерные взрывы, при которых выделяется большое количество азота и т. д. Протекающие реакции разрушения озона можно описать в общем виде следующими уравнениями:

О3 + Х .> ХO +О2 , где Х= Сl, Br, F, NO, OH

ХО + О. > Х .+ О2

О3 + О.> 2О2

Радикал Х. выполняет роль катализатора, а сам процесс носит циклический характер, поскольку взаимодействие оксида ХО с атомарным кислородом приводит в последствии к образованию активного радикала Х, разрушающего озон.

В 1974 г. впервые была изложена гипотеза о разрушающем влиянии на озоновый слой хлорфторуглеродов (фреонов). Фреоны обладают уникальными потребительскими свойствами - негорючи, нетоксичны, практически безопасны в быту, поэтому нашли очень широкое применение в качестве хладогентов, пропеллентов в аэрозольных баллончиках, вспенивателей и растворителей. Например, СFCl3, CF2Cl2, СHF2Cl и т. п. Наиболее высокие темпы производства фреонов пришлись на 1960-1970 гг. Фреоны являются очень устойчивыми соединениями, инертными у поверхности Земли. “Время жизни” фреонов оценивают в 40-150 лет. Единственным путём их удаления из тропосферы считается перенос в стратосферу, где они подвергаются разложению под действием коротковолнового ультрафиолетового излучения Солнца. В результате разложения образуются атомы хлора, которые разрушают молекулы озона:

СFCl3 + hн > СFCl2 + Сl.

В 1987 г. представители 43 стран подписали Монреальский протокол к Венской конвенции, согласившись заморозить производство фреонов до 1990 г., провести 20 % сокращение к 1994 г. и к 1999 г. на 30 %. В 1990 г. ограничения были ужесточены: производство и использование фреонов должны быть сокращены к 1995 г. на 50 % и полностью прекращены к 2000 г. (для развивающихся стран до 2010 г.).

Парниковый эффект

С конца XIX века по настоящее время наблюдается тенденция повышения средней глобальной температуры атмосферы. За последние 100 лет она повысилась ? 0,6° С. Ведущим фактором глобального потепления считают парниковый эффект.

Лучистая энергия, идущая от Солнца и достигающая Земли, состоит на 48-50 % из видимого света, на 45 % из инфракрасного излучения, на 1-7% из ультрафиолета. Проходя через атмосферу, излучение экспоненциально ослабляется атмосферными газами и пылью. Степень ослабления зависит от длины волны света: УФ-излучение с длиной волны < 0,3 мкм не проходит через озоновый слой, видимый свет равномерно ослабляется, ИК-излучение поглощается в атмосфере не одинаково. “Чистая” атмосфера прозрачна для ИК-излучения, а поглощает его атмосфера, содержащая парниковые газы. Видимый свет достигает поверхности Земли и нагревает её. Энергия, поглощённая Землёй, отдаётся обратно в атмосферу в виде ИК-излучения, часть которого поглощается CO2 и улавливается атмосферой, часть отражается или переизлучается обратно к Земле. Создаются условия для сохранения тепла в атмосфере. Таким образом, атмосфера пропуская излучение Солнца к Земле, задерживает обратное тепловое (инфракрасное) излучение земной поверхности из-за наличия в атмосфере парниковых газов. Парниковые газы как бы выполняют функцию стеклянного покрытия в обычных садовых парниках. Вклад в прирост парникового эффекта вносят на 49 % диоксид углерода CO2; 18 % метан CH4; 14 % фреоны; 6 % - оксид азота N2O; 13 % - остальные парниковые газы.

По прогнозам Международной конференции ЮНЕП к 2100 г. должно произойти повышение температуры на 1,5-5,8° С. Для приполярных широт повышение температуры может составить 10° С.

Разогрев атмосферы может привести к серьезным экологическим последствиям.

1. Таяние полярных льдов приведёт к повышению уровня Мирового океана к 2050 г. на 100 см, к 2100 г. на 156-345 см и затоплению территорий, где проживает подавляющее большинство населения и сосредоточен основной промышленный потенциал. Будет затоплены такие города, как Лондон, Нью-Йорк, Санкт-Петербург, Амстердам, Токио и др. [16]

2. Из-за изменения перепада температур между зонами полюсов и экватора Земли нарушится естественная циркуляция атмосферы. Ухудшится перенос тепла и влаги, т. е. произойдёт глобальное изменение климата, перераспределение осадков на планете. Ливни затопят тропики, засушливые зоны сдвинутся на север, площадь пустынь увеличится. Серьёзные изменения климата произойдут в Скандинавии, Сибири и на севере Канады.

3. Повышение температуры будет неравномерным: у полюсов больше, чем на экваторе. Повышение температуры в зоне вечной мерзлоты приведёт к изменению несущих свойств грунтов, что поставит под угрозу различные сооружения и коммуникации.

В основном за парниковый эффект отвечает CO2. Казалось бы, при очень высокой замкнутости биосферного круговорота углерода и огромной буферной ёмкости биосферы и океана по связыванию атмосферного избытка CO2 это увеличение CO2 не должно приводить к нарушению равновесия. Но в действительности буферные системы биосферы и океана не справляются с регулированием равновесия потоков CO2.

Возникает порочный круг самоусиления парникового эффекта (рис.10).

Рис. 10. Схема, поясняющая нарушение биотической регуляции круговорота углерода и самоускорение парникового эффекта [2]

Повышение температуры способствует выделению CO2 из воды, почвенной влаги, тающих льдов, поскольку растворимость CO2 в воде заметно снижается с повышением температуры. Кислотные осадки вытесняют CO2 из карбонатов почвы, вод и грунтов.

В Москве в июне 2004 г. состоялась «Всемирная конференция по климату». На конференции приводились самые противоречивые данные, характеризующие CO2 как первопричину глобального потепления. Было высказано много аргументов, позволяющих связать повышение температуры с увеличением CO2, но были и те, которые не укладываются в эту схему. Можно привести некоторые примеры нестыковки.

1. На антарктической станции «Восток» была пробурена скважина глубиной примерно 4 км. Послойно провели анализ льда и на основании полученных данных построили графики изменения температуры Земли и содержания CO2. За последние 11000 лет потепление и похолодание происходило в среднем каждое тысячелетие. В 4 случаях потеплению предшествовало увеличение CO2. В остальных случаях было с точностью до наоборот. В начале было потепление, потом увеличение CO2. Дело в том, что основное хранилище CO2 - Мировой океан. Повышение его температуры привело к повышению CO2.

2. 440 млн лет назад содержание CO2 в атмосфере было в 16 раз больше, чем сейчас, но температура и растительность на экваторе были те же, что сегодня. И при этом шло оледенение полюсов.

Учёные Института промышленной экологии УрО РАН предложили свою версию объяснения несостыковок, считая что парниковые газы: водяной пар, CO2, N2O могут взаимодействовать между собой. Поэтому для корректной оценки и прогнозирования величины парникового эффекта это взаимодействие надо учитывать.

Загадка углекислого газа остаётся самой интригующей. Несмотря на рост его выбросов, температура окружающей среды меняется медленнее, чем предсказывали прогнозы. Вероятно, что в атмосфере действует какой-то механизм, конкурирующий с парниковым эффектом и замедляющий рост температуры.

Когда говорят о способности парниковых газов поглощать отражённое излучение, то предполагают, что молекулы газа находятся в свободном состоянии. Атмосферный водяной пар кластеризуется, и количество центров, поглощающих отражённое солнечное излучение, снижается. Водяной пар может соединяться с CO2 и N2O: CO2(H2O)n и N2O(H2O)n. С увеличением концентрации парниковых газов увеличивается вероятность абсорбции их кластерами воды. Поэтому повышение CO2 в атмосфере до определённой концентрации ведёт к антипарниковому эффекту, то есть не к нагреванию, а к охлаждению. С достижением равновесной концентрации CO2 ситуация меняется и увеличение концентрации молекул CO2 приводит к парниковому эффекту. В пользу этой гипотезы было приведено очень много доказательств.

Климато-экологическая система чрезвычайно сложна, плохо поддается прогнозированию, поскольку необходимо учитывать огромное число факторов, вносящих вклад в формирование климата на Земле. Многие связи в этой системе уже выявлены, но имеется множество других, обратных связей, остающихся ещё неизученными, поэтому неопределённости в понимании изменения климата в настоящее время ещё остаются.

Лекция 7

Антропогенное воздействие на гидросферу

Истощение, загрязнение и засорение водных ресурсов. Классификация загрязнений. Характеристика основных гидрополлютантов. Антропогенные изменения в Мировом океане. Самоочищение водоемов.

Гидросфера - водная оболочка Земли, включающая ресурсы океанов, рек, озёр, прудов, болот, подземных вод, т. е. все воды, не связанные физически и химически. Вода является самым обильным и ценным ресурсом на Земле. Общемировые запасы воды огромны. Если бы распределить их поровну, то на каждого жителя планеты пришлось бы 280 млрд литров. Однако 94-97% всей гидросферы - воды океанов и морей, только 2,5-2,8 % пресная вода, из неё 0,6-1 % в жидком состоянии, а остальное - льды [2]. Гидросфера - самая тонкая оболочка Земли, для практического использования пригодна только её незначительная часть. В России запас поверхностных пресных вод равен 28 000 км3 (из них 82 % содержится в озере Байкал). Из 15 крупнейших рек мира 4 текут по территории нашей страны.

Вода - самое распространённое на поверхности земли химическое соединение. Она - единственное вещество, которое встречается в природе во всех трех агрегатных состояниях - твёрдом, жидком и газообразном. Вода является универсальным растворителем, она растворяет солей и других веществ больше, чем любое другое вещество. Для жизни организмов важными являются такие характеристики водной среды, как кислотность, количество растворенных газов, температура, прозрачность, соленость. Кислотность воды оценивается показателем рН = -lg[H+], который для большинства водных обитателей должен составлять 5ч9, при изменении рН, выходящим за пределы этого диапазона, наблюдается массовая гибель живых организмов. Прозрачность воды зависит от количества взвешенных в ней минеральных частиц (глины, ила, торфа), от наличия мелких животных и растительных организмов. Соленость связна с содержанием в ней растворенных солей (карбонатов, сульфатов и т. д.). В пресных водах их содержание не велико, а воды Мирового океана имеют соленость до 35 г/л, воды Черного моря - 19 г/л, а Мертвого - 260 г/л.

Вода находится в непрерывном замкнутом процессе перемещения, включающем её накопление, испарение и перераспределение. Этот естественный процесс рециркуляции воды известен как круговорот воды. Неравномерный характер выпадения атмосферных осадков в различных регионах мира, в том числе и в нашей стране, обусловил дефицит пресной воды в одних районах и избыток - в других. Человечество предпринимало многочисленные попытки исправить подобный дисбаланс. Воду накапливали в водохранилищах, создаваемых плотинами, перебрасывали воду рек из одного района в другой, использовали её подземные запасы, пытались сократить потребление воды и уберечь её от загрязнения. Однако, несмотря на все усилия, вода остаётся в числе самых нерационально используемых ресурсов планеты. В результате интенсивного использования водных ресурсов происходят не только безвозвратные потери пресной воды, но и ухудшается её качество

Водоёмкость всего человеческого хозяйства достигла 20 тыс км3/г, что составляет почти 11 % годового стока всех рек мира. Самым крупным водопотребителем в большинстве стран мира является сельское хозяйство, затем промышленность, включая энергетику и, наконец, коммунальное хозяйство (табл. 3).

Таблица 3. Доля использования воды в основных отраслях водопотребления к общему потреблению воды в стране (1991 г.), % [18]

Водопользователь	Россия	США	Франция	Финляндия
Сельское хозяйство	52	49	51	10
Промышленность	39	41	37	80
Коммунальное хозяйство	9	10	12	10

Расходование воды предприятиями различных групп характеризуется значительной неравномерностью. Для оценки объёмов промышленного водопотребления используют понятие «водоёмкость производства», под которой понимают объём воды (м3), необходимый для производства 1 т продукции. В табл. 4 приведена водоёмкость различных видов производств.

Наибольшим водопотреблением в промышленности отличается энергетика, химическая, нефтехимическая, целлюлозно-бумажная отрасли, чёрная и цветная металлургия. ТЭС мощностью 300 МВт потребляет 120 м3 воды в секунду или это 300 млн м3/год. Особенно быстро водопотребление в промышленности выросло в XX столетии, так как начали развиваться чрезвычайно водоёмкие отрасли производства, такие как органический синтез и нефтехимия.

Таблица 4.Водоёмкость различных видов производств [18]

Вид промышленной продукции	Водоёмкость, м3/т
Химическое волокно	2000-3000
Целлюлоза	1000-1500
Пластмасса	500-1000
Медь	400-500
Сталь	200-250
Чугун	160-200
Добыча и обогащение руды	2-4

В сельском хозяйстве высокое водопотребление связано в основном с орошаемым земледелием. Чтобы вырастить 1 т пшеницы за вегетативный период требуется 1500 м3, 1 т риса - 8000 м3, 1 т хлопка - 5000 м3. В условиях быстрых темпов роста населения планеты орошению отводится всё большая роль в повышении эффективности земледелия как основного источника обеспечения людей продуктами питания.

Особое место в использовании водных ресурсов занимает коммунальное хозяйство: для хозяйственно-питьевых и коммунально-бытовых целей. Для питья человек расходует в сутки 2,0-2,5 л. По СНиП в России норматив расхода воды в сутки на одного человека составляет 250 л, для сравнения в других развитых странах - 150 -200 л. В разных странах и разных городах расход воды разный, л/(сут · чел):

Екатеринбург	350
Москва	557
Челябинск	368
В среднем по России	410
Венгрия	300
США	190
Дания	134
Германия	130
Индия	65
Ирак	16

Чрезмерное выкачивание воды в связи с увеличением её потребления привело к понижению уровня грунтовых вод на всех континентах [19]. В Китае и Индии, двух крупных по численности населения странах мира, запасы продовольствия зависят от орошаемого земледелия. В Индии отбор воды из водоносных горизонтов в 2 с лишним раза превышает её накопление, поэтому в Индии почти повсеместно уровни водоносных грунтов с пресной водой снижаются на 1-3 м ежегодно. На острове Майорка (у побережья Испании) в настоящее время вообще нет пресных вод, потребности жителей острова обеспечивают три опреснителя. Остров состоит из скальных пород, считается, что раньше он был частью континента. Запасы пресной воды на Майорке после отделения её от Пиренейского полуострова были очень велики. Для того чтобы обрабатывать болотистую местность жители острова в прошлые столетия выкачивали воду с помощью ветряных установок. Оказалось, что этой водой были всего лишь заполнены пустоты в скальных породах.

Потребление воды ежегодно увеличивается, человек использует намного больше её запасов, поэтому в недалёком “будущем” во многих странах может появиться проблема нехватки воды. Дефицит пресной воды уже ощущается в Нидерландах, Бельгии, Люксембурге, Венгрии. Дистиллированную воду используют в Кувейте, Алжире, Ливии, мощные опреснители стоят в Калифорнии и Аклахоме. По данным Всемирной организации здравоохранения от нехватки воды страдает 1,2 млрд человек. Водообеспеченность населения у нас в стране одна из самых высоких в мире, поэтому пресная вода расходуется крайне неэкономно. А трудности с обеспечением населения качественной питьевой водой уже есть. Возможно когда-то мы будем получать пресную воду из морской, но нужно сказать, что методы опреснения дороги и сложны.

Учёные считают, что на Земле нет кристально чистой воды, и вся пресная вода уже прошла техносферу [20], поэтому она меняет свой качественный состав. Основной причиной современной деградации природных вод земли является антропогенное загрязнение. Главные источники его:

- сточные воды промышленных предприятий;

- сточные воды коммунального хозяйства городов и других населённых пунктов;

- стоки систем орошения, поверхностные стоки с полей и других сельскохозяйственных объектов;

- атмосферные выпадения загрязнителей на поверхность водоёмов и водосборных бассейнов.

Антропогенное загрязнение гидросферы в настоящее время приобрело глобальный характер и существенно уменьшило доступные эксплуатационные ресурсы пресной воды на планете. Общий объём промышленных, сельскохозяйственных и коммунально-бытовых стоков составляет ? 1300 км3. Общая масса загрязнителей гидросферы ? 15 млрд т в год [2].

Классификация загрязнений

1. Механическое (засорение) - затопленные деревья при сплаве леса, банки и прочий мусор. Засорение рек усиливается в результате сброса в них отходов лесоперерабатывающих предприятий (кора, опилки и т. д.)

2. Химическое (загрязнение) - наличие в воде органических и неорганических веществ токсического и нетоксического действия. Самые разнообразные по составу и свойствам химические соединения. К наиболее опасным загрязнителям гидросферы относят соли тяжёлых металлов, фенолы, пестициды, нефтепродукты, синтетические поверхностно-активные вещества (СПАВ), минеральные удобрения.

3. Бактериальное и биологическое (заражение) - наличие в воде патогенных микроорганизмов, грибов и мелких водорослей. Такие воды могут явиться причиной возникновения инфекционных заболеваний.

4. Радиоактивное - загрязнение радиоактивными веществами.

5. Тепловое - выпуск подогретых вод ТЭС и АЭС. Повышение температуры воды приводит к уменьшению содержания растворённого кислорода, увеличению токсичности загрязняющих воду примесей, нарушению биологического равновесия, смене видового состава водных организмов. С повышением температуры в загрязнённой воде наблюдается бурное размножение болезнетворных организмов.

В таблице 5 приведены ориентировочные количества загрязнителей, ежегодно попадающих в гидросферу.

Таблица 5. Ориентировочные количества массовых загрязнителей океана и континентальных вод планеты [2]

Вещества	млн т/г
Затонувшие суда, плавающий и погружённый мусор	1200
Взвешенные вещества техногенного происхождения	1400
Растворённые неорганические вещества:	4000
минеральные удобрения	80
соли тяжёлых металлов	3
Синтетические органические вещества	2500
моющие средства СПАВ	15
фенолы и др. циклические углеводороды	5
пестициды	2
Биогенная органика	1200
Нефтепродукты	12
Аэрогенные выпадения техногенной природы	1800

Характеристика основных гидрополлютантов

Нефть [21-22] один из распространённых видов природного сырья. Нефть - вязкая маслянистая жидкость, имеющая тёмно-коричневый цвет, специфический запах и слабую флуоресценцию. Основные компоненты нефти - углеводороды (до 98 %). Кроме углеводородов в нефти содержатся кислородные, сернистые и азотистые органические соединения.

Первоначально нефть применялась для получения топлива, впоследствии стала основой для развития нефтехимии. Транспортировка нефти от места добычи до места переработки осуществляется по нефтепроводам и с помощью нефтеналивных танкеров. Попадает нефть в мировой океан при “аварийных” разливах, а также при использовании в качестве топлива и смазочных материалов в морском судоходстве, причём второй путь во много раз превышает первый.

Углеводороды нефти подразделяют на 4 класса.

1. Парафины (алканы) (до 90 % общего состава) - устойчивые вещества, молекулы которых выражены прямой и разветвлённой цепью атомов углерода (насыщенные углеводороды). Например, метан CH4, этан С2Н6.

2. Циклопарафины (30-60 % от общего состава) - насыщенные циклические углеводороды с 5-6 атомами углерода в кольце. Например, циклопентан С5Н10. В нефти встречаются бициклические и полициклические соединения этой группы. Эти соединения очень устойчивы и плохо поддаются биоразложению.

3. Ароматические углеводороды (20-40 % от общего состава) - ненасыщенные циклические соединения ряда бензола, содержащие в кольце на 6 атомов водорода меньше, чем циклопарафины. В нефти присутствуют летучие соединения с молекулой в виде одинарного кольца (бензол, толуол, ксилол), бициклические (нафталин), полициклические (пирен).

4. Олефины (алкены) - до 10 % от общего состава - ненасыщенные нециклические углеводороды, имеющие прямую или разветвлённую цепь и одну двойную связь:

...