Биотехносфера: экология и безопасность жизнедеятельности

Централь-ная и Южная Америка

Аномальные осадки и температуры. Проблемы стока рек, лесов и экосистем Амазонии и Ла Платы. Сокращение ледников.

Усиление негативных тенденций. Обострение проблем Амазонии. В отдельных районах континента дефицит воды. Сильная деградация коралловых рифов.

Есть угроза исчезновения лесов Амазонии. Вероятны проблемы сохранения традиционного образа жизни коренного населения.

Арктика и

Антарк-тика

Сокращение ледового и снежного покрова Арктики и Гренландии. Рост береговой эрозии, деградация вечной мерзлоты. Потепление, изменения растительного покрова, миграции животных. Разрушение шельфовых ледников Западной Антарктики.

Усиление наблюдающихся тенденций. Резкий рост береговой эрозии и деградации вечной мерзлоты. Проблемы для морских млекопитающих и птиц Южного океана.

В будущем возможна массовая деградация вечной мерзлоты с большими эмиссиями СО2 и СН4. Угроза проникновения новых видов, негативно влияющих на местные.

Малые острова

Изменение в экосистемах отдельных островов. Деградация коралловых рифов.

Через 50 - 150 лет полное или частичное затопление. Сильная деградация коралловых рифов.

Потребуется переселение людей. Вероятно негативное влияние роста кислотности океана на рыбу и морские экосистемы.

Для комплексного изучения проблем, обусловленных глобальным потеплением, по инициативе Всемирной метеорологической организации (ВМО) и Организацией ООН по охране окружающей среды (ЮНЕП) в 1988 году была создана Межправительственная группа экспертов по проблеме изменения климата (МГЭИК) (Кокорин, 2015).

Условно негативные явления, спровоцированные развитием парникового эффекта, можно разделить на две группы:

ь Процессы, непосредственно связанные с повышением температуры окружающей среды. Примером может служить наблюдающееся сейчас опустынивание и остепнение ряда регионов. Из-за резких климатических изменений на этих обширных территориях происходит уничтожение большинства ранее существовавших экосистем. Существенные изменения произойдут также в составе биоты и структуре водных биологических сообществ (Безносов, Суздалева, 2004).

ь Косвенные последствия глобального потепления. Их основными проявлениями являются:

- перераспределение ресурсов питьевой воды, связанное с изменениями в характере атмосферной и океанической циркуляции, спровоцированными потеплением;

- увеличение по той же причине частоты и силы чрезвычайных ситуаций гидрометеорологического характера (засух, наводнений и ураганов) и иного характера (например, лесных пожаров).

Изменение климата влечет за собой необходимость коренного преобразования форм хозяйствования и инфраструктуры (Безносов, 1998а; Суздалева, Горюнова, 2014; Суздалева, 2015). Развитие деятельности в новых, принципиально изменившихся условиях потребует огромных затрат. Например, можно представить себе сценарий превращения южной части таежной зоны в степь. Да, потепление климата, возможно, позволит со временем создать в этом регионе прибыльные зерновые хозяйства (при условии огромных финансовых инвестиций). Но на первом этапе резкое изменение климатических характеристик обернется массовой гибелью древесной растительности, составляющих основу таежной экосистемы. Образующиеся массивы сухостоя и валежника в совокупности с высохшими заторфованными участками бывших болот создадут базу для мощных лесных пожаров.

Еще большую опасность представляет усугубляемый развитием парникового эффекта мировой кризис водопотребления (Данилов-Данильян, 2009), то есть возникновение острой нехватки воды, необходимой в т.ч. для бытового употребления и выращивания сельскохозяйственной продукции. Поэтому неминуемым следствием кризиса водопотребления станет продовольственный кризис тех же масштабов.

Данные проблемы и возможные способы их решения будут рассмотрены в IV главе. Сейчас же обратим внимание на цель и вытекающую стратегию мер, направленных против дальнейшего развития парникового эффекта. Очевидно, что полностью предотвратить происходящие глобальные климатические флуктуации нереально, поскольку в их развитие уже включились факторы, не поддающиеся контролю (например, деградация зон многолетней мерзлоты). Но можно избежать значительной части описанных выше катастрофических событий, сделав изменение климата более плавным. Кроме того, основываясь на прогнозах, можно заранее спланировать и начать осуществлять меры, позволяющие адаптировать условия жизнедеятельности человека и существования природных объектов к новым условиям.

Если рассматривать развитие парникового эффекта как процесс, протекающий в неуправляемой природно-технической системе глобального масштаба, то всю совокупность разнородных явлений, обусловливающих его развитие, можно свести в единую систему, классифицировав их следующим образом:

ь Техногенная эмиссия парниковых газов, сопровождающая различные виды человеческой деятельности, включая сельское хозяйство (Кондратьев, Донченко, 1999).

ь Техногенный сток парниковых газов, т.е. целенаправленная человеческая деятельность по изъятию из атмосферы парниковых газов.

ь Природная эмиссия парниковых газов - совокупность естественных процессов, приводящих к поступлению парниковых газов в атмосферу. Примером могут служить извержения вулканов, естественные лесные пожары.

ь Природный сток парниковых газов из атмосферы в ходе фотосинтеза растительности, в процессе их поглощения водами Мирового океана и т.п.

ь Природно-техногенные процессы эмиссии и стока парниковых газов. К ним можно отнести всю совокупность природных явлений, сопровождающихся поступлением в атмосферу парниковых газов и изъятием их из нее, интенсивность развития которых провоцируется техногенезом окружающей среды. Так, все большее значение в качестве источника парниковых газов приобретает процесс оттаивания (деградации) многолетней мерзлоты (Анисимов и др., 2005; Елдышев, 2009; Anisimov et al., 2012; Киселев, Решетников, 2013). Причиной этого явления являются глобальные климатические изменения, происходящие, как полагает большинство современных ученых, под воздействием техногенных факторов. Благодаря потеплению климата площадь зон многолетней мерзлоты постепенно сокращается. Оттаивающие почво-грунты содержат громадные количества органических веществ, которые являются агентами развития парникового эффекта. В результате микробиологического разложения и химического окисления они частично разлагаются, выделяя в атмосферу углекислый газ и метан. Повышение температуры также способствует увеличению испарения, а следовательно, повышению содержания в атмосфере еще одного агента парникового эффекта - паров воды. Чем теплее становится климат, тем интенсивнее идет разложение замороженных почвогрунтов. Таким образом, на современном этапе происходит самоусиление данного процесса.

Примером природно-техногенных процессов, вызывающих сток парниковых газов, является контролируемое функционирование естественных биопродукционных процессов, в ходе которых поглощается СО2, а также связывание атмосферного углерода в болотных массивах, сохранить многие из которых в современных условиях возможно только создав поддерживающие их инженерно-технические системы.

В соответствии с приведенной выше классификацией в качестве основных путей борьбы с парниковым эффектом (точнее - мер по снижению скорости его развития) следует рассматривать:

- ограничение техногенной эмиссии парниковых газов с объектов промышленного и сельскохозяйственного производства;

- изъятие парниковых газов из атмосферы с помощью инженерно-технических систем и создание объектов для длительного хранения, т.е. организацию техногенного стока парниковых газов;

- создание специализированных управляемых природно-технических систем, функционирование которых создает условия для природно-техногенного стока парниковых газов.

Кратко рассмотрим способы, предлагаемые в пределах каждого из перечисленных направлений.

v Ограничение техногенной эмиссии парниковых газов с объектов промышленного и сельскохозяйственного производства. В настоящее время это направление является приоритетным, поскольку в наибольшей степени соответствует господствующей ограничительной парадигме (табл. 3). На его мероприятия затрачиваются весьма значительные финансовые средства. Так, на данный момент общая сумма только прямых ежегодных затрат на снижение выбросов парниковых газов в мире в среднем составляет свыше 300 млрд долларов за год (Кокорин, 2015). До 2030 года для того чтобы удержать, согласно достигнутым международным договоренностям, уровень глобального потепления в пределах 2 °C , предполагается снизить инвестиции в наращивание производства органического топлива на 116 млрд долларов относительно базового сценария, а в топливные электростанции - на 30 млрд долларов.

Таблица 3 Основные формы глобального техногенеза воздушной среды, обусловливающие переход естественной биосферы в состояние биотехносферы, возможные способы контролирования и управления данными процессами

Глобальные техногенные процессы	Основные направления решения проблемы в рамках ограничительной парадигмы	Основные направления решения проблемы в рамках креативной парадигмы
	Действия	Результат	Действия	Результат
Парниковый эффект	Ограничение техногенной эмиссии парниковых газов	Незначим на фоне эмиссии из неконтролируемых источников	Создание управляемых ПТС, регулирующих сток избытка парниковых газов	Управление балансом процессов эмиссии и стока парниковых газов
Разрушение озонового слоя	Частичный контроль за эмиссией агентов разрушения озонового слоя	Незначим на фоне эмиссии из неконтролируемых источников	Разработка мер, регулирующих процессы разрушения озона в стратосфере	Управление балансом процессов синтеза и распада озона в стратосфере
Глобальное загрязнение атмосферы	Контроль крупных организованных источников загрязнения	Замедление роста глобального загрязнения атмосферы	Создание управляемых ПТС, регулирующих уровень дисперсного загрязнения воздуха	Устойчивое сохранение качества воздушной среды

Напротив, ежегодные инвестиции в возобновляемые источники энергии и строительство АЭС планируется увеличить на 147 млрд долларов, а финансирование работ в области повышения энергоэффективности производственных и иных сооружений - на 336 млрд долларов.

Однако непредвзятый анализ ситуации приводит к заключению, что приоритет данного направления объясняется не результативностью предпринимаемых действий (содержание парниковых газов в атмосфере неуклонно возрастает), а относительной простотой организации предпринимаемых мер. Очевидно, что наложение дополнительных ограничений на промышленные выбросы, разработка их квот и взимание платы за их превышение представляет собой более легкое выполнение задачи, чем реальное контролирование количества парниковых газов в атмосфере. Данная деятельность позволяет быстро и обоснованно отчитаться о достигнутых успехах в борьбе с промышленными выбросами, но не способна самостоятельно решить проблему парникового эффекта. Однако это суждение не следует рассматривать как отрицание авторами монографии целесообразности контроля производственных выбросов - нашей целью является обоснование необходимости комплексного подхода к решению проблемы, в т.ч. включающего данное направление как одно из основных.

v Изъятие парниковых газов из атмосферы с помощью инженерно-технических систем и создание объектов для длительного хранения. Эта группа методов борьбы с развитием парникового эффекта обозначается аббревиатурой CCS (Carbon Capture and Storage - захват и хранение углерода). В ряде проектов предлагается внедрять эти технологии в сферу использования биотоплива (биоэнергетику), например для получения так называемого биоугля (Елдышев, 2009). В этом случае для их обозначения также используется аббревиатура BECCS (Кокорин, 2014). Поскольку основным веществом, искусственно изымаемым из атмосферы, является СО2, используемые для этого технологии также обозначаются термином «технологии секвестрации углекислого газа» (Череповицын и др., 2013). Уже предложено несколько способов захват СО2, в т.ч. и непосредственно в процессе сжигания топлива. После этого следует процесс компрессии и транспортирование СО2 под высоким давлением по трубопроводам к местам его захоронения. В качестве последних предлагается использовать различные пустоты, образовавшиеся в недрах Земли в результате добычи полезных ископаемых.

v Создание специализированных управляемых ПТС, функционирование которых приводит к аналогичным результатам.

Концепция управляемой биотехносферы подразумевает организацию мер по предотвращению развития парникового эффекта на основе комплексного регулирования как процессов эмиссии, так и стока его агентов (Суздалева, Горюнова, 2015). Примерами этой деятельности, которые вписываются в креативно-ограничительную парадигму (табл. 3), являются:

ь Сохранение в составе управляемых ПТС болотных массивов, поглощающих на длительный срок значительное количество парниковых газов. Болота являются большими резервуарами органического углерода (Gorham, 1991; Заварзин, 1994). Количество накопленного в них углерода, по разным оценкам, составляет от 300 до 600 Гт. Согласно существующим данным, площадь болот всего мира оценивается в 6,41·106 км2, из них больше половины расположены в пределах территории Российской Федерации. Общая площадь в ней оторфованных заболоченных земель составляет 3,69·106 км2 (21,6% территории страны) с содержанием углерода 113,5·109 т, в том числе площадь торфяных болот - 1,39·106 км2, содержащих 100,9·109 т углерода.

Связывание болотами атмосферного СО2 в процессе фотосинтеза произрастающих на них растений и последующая длительная консервация его в болотных отложениях частично компенсируются выделением другого парникового газа - метана (Gorham, 1995). Однако существование болот, как правило, является препятствием на пути хозяйственного освоения новых регионов и урбанизации территорий. По этой причине их площадь закономерно сокращается. Разрешить данную проблему можно лишь создавая управляемые природно-технические системы, позволяющие сосуществовать техногенным объектам и болотным массивам (например, превращая их в экологические резерваты). Подчеркнем, что болота являются местообитанием многих охраняемых видов животных и растений. Меры, направленные на их сохранение в зонах интенсивного хозяйственного освоения, - это меры по сохранению биоразнообразия. При создании управляемых ПТС, включающих болотные массивы, существует несколько возможностей усилить накопление в них углерода за счет регулирования процессов стока СО2 и эмиссии СН4, планируя дренаж болот с учетом данных факторов и регулируя обеспечение их подпиткой водой (Zoltai, Martikainen, 1996).

ь Создание управляемых ПТС в форме специализированных лесных хозяйств, а также хозяйств агрокультуры и аквакультуры, функционирование которых обеспечивает сток из атмосферы значительного количества СО2. В данном случае консервация углерода на определенный срок осуществляется в результате его включения в состав древесины, а также в тела живых организмов и продукты их жизнедеятельности. В дальнейшем все это может быть использовано как сырье для биотоплива в описанной выше технологии BECCS (Семенов, 2012; Кокорин, 2014). Кроме того, полученный путем пиролиза растительной массы биоуголь может вноситься в землю в качестве удобрения (Елдышев, 2009).

Данное направление хотя и упоминается в программных документах, но лишь как нечто второстепенное (Кокорин, 2014). Так, если на снижение выбросов парниковых газов ежегодно выделяется свыше 300 млрд долларов, то в лесное хозяйство, в плане решения проблемы парникового эффекта, предполагается дополнительно инвестировать лишь 21 - 35 млрд долларов. Еще меньшее внимание уделяется проектам создания хозяйств агрокультуры и аквакультуры, способных обеспечить природно-техногенный сток и консервацию значительных количеств парниковых газов. Ограниченный объем монографии не позволяет рассмотреть все предлагаемые способы. В качестве примера рассмотрим только один из них - проект организации контролируемого природно-техногенного стока атмосферного СО2 при освоении ресурсов глубинных слоев океана (Суздалева и др., 1999). Эти ресурсы весьма разнообразны и их добыча становится все более перспективной. Многие виды этой деятельности, например разработка морских месторождений железо-марганцевых конкреций, предполагают подъем к поверхности моря с глубины огромных объемов вод. Используемым природным ресурсом является и сама вода из глубинных слоев (Безносов, 2003). Так, КПД систем охлаждения, возводимых на берегах морей АЭС, существенно возрастает при использовании в них вод, поднимаемых из глубинных слоев, которые имеют постоянно низкую температуру. Эти глубинные воды также содержат большие количества биогенных элементов (фосфора, азота и др.). Их поступление в поверхностные слои моря интенсифицирует процессы фотосинтеза водорослей и соответственно связывание значительного количества СО2. Если сброс отработанных вод происходит бесконтрольно, то велика вероятность возникновения таких нежелательных явлений, как обширные «красные приливы», обусловленные вспышками развития фитопланктона. В течение непродолжительного времени большая часть массы водорослей разлагается, и связанный в них углерод вновь попадает в атмосферу. Иная картина будет наблюдаться, если на участках отработанных глубинных вод будут создаваться хозяйства аквакультуры. Их прибыльность за счет удобрения воды фосфором и азотом глубинных вод может быть существенно выше, чем в других аналогичных хозяйствах (Пшеничный, Шевченко, 1989). Углерод, связанный в их продукции, покидает атмосферу на значительно более длительный и потенциально контролируемый срок.

В таблице 4 приведены расчеты, основанные на данных экспериментов, характеризующих объем углерода, который может быть изъят из атмосферы при организации глубинных водозаборов на АЭС, расположенных в трех различных участках морского побережья. Полученная водорослевая масса может служить кормом при выращивании различных морских организмов, так и использоваться для производства биотоплива по технологии BECCS.

Следует отметить, что морские водоросли хорошо растут и на глубинных водах, загрязненных сероводородом (Поликарпов и др., 1986) или содержащих значительные количества металлов, поступающих в воду при добыче со дна моря железомарганцевых конкреций (Buck, Taguchi, 1983).

Таблица 4 Масса фитопланктона, которая может вырасти на отработанных глубинных водах, используемых для охлаждения блока АЭС мощностью 1000 МВт, и масса связанного в ней атмосферного углерода (по: Суздалева и др., 1998/1999).

Район	Масса водорослей, тонн/мес.	Масса углерода, тонн С/год
Индийский океан (Бенгальский залив)	324,0	233,3
Атлантический океан (Западно-экваториальный район)	155,5	112,0
Тихий океан (Восточная часть южной тропической зоны)	479,5	345,2

Комплекс проблем, порожденных парниковым эффектом, и пути снижения негативного воздействия сопутствующих ему процессов можно в краткой форме обобщить в виде следующих выводов:

1. Парниковый эффект представляет собой флуктуацию биогеохимического цикла (круговорота) углерода, по диапазону изменения содержания СО2 в атмосфере не превышающую аналогичные естественные флуктуации, неоднократно происходившие в истории биосферы.

2. В отличие от ранее происходивших естественных флуктуаций углеродного цикла развитие парникового эффекта происходит со значительно более высокой скоростью, которая определяется техногенными и природно-техногенными процессами.

3. В целом воздействие парникового эффекта следует рассматривать как техногенный фактор, вызвавший изменения окружающей среды в планетарном масштабе, т.е. как фактор ее глобального техногенеза, результатом которого стал переход биосферы в состояние биотехносферы.

4. На современном этапе развитие парникового эффекта приобрело необратимый характер. Ни ограничительные меры, направленные на снижение техногенной эмиссии парниковых газов, ни повышение результативности методов интенсификации техногенного стока при продолжающемся росте народонаселения и объемов мирового производства не смогут вернуть биосферу в предшествующее естественное состояние даже в длительной перспективе.

5. Единственным реальным путем предотвращения негативных последствий парникового эффекта является целенаправленное создание управляемых природно-технических систем, позволяющих обеспечить благоприятные условия жизни человека и существования других организмов. Для этого при решении проблем, спровоцированных парниковым эффектом, необходим переход от ограничительной парадигмы мышления к креативной.

3.3 Разрушение озонового слоя

Озоновый слой, т.е. слой атмосферы с повышенным содержанием озона (О3), расположен в верхних слоях атмосферы - в стратосфере. В нем задерживается значительная часть ультрафиолетового излучения, идущего от Солнца, что обеспечивает саму возможность существования жизни на поверхности планеты. Это обусловлено тем, что спектр поглощения озона в области ультрафиолетового излучения перекрывается со спектром поглощения нуклеиновых кислот и белков (Самойлова, 1982; Ravanat et al., 2001; Потапенко, 2004), составляющих основу всех форм земной жизни, начиная от вирусов. В упрощенном виде процесс воздействия ультрафиолетового излучения на эти вещества можно описать следующим образом. Способность каких-либо веществ поглощать излучения определенного диапазона означает переход в них энергии, содержащейся в излучениях. Это может вызвать изменение структуры молекул данных веществ. В рассматриваемом случае подобный эффект проявляется в том, что электромагнитные волны определенной длины волны в ультрафиолетовой области солнечного излучения избирательно разрушают структуру нуклеиновых кислот (ДНК и РНК), а также белков. Кроме того, под воздействием ультрафиолетового излучения в организмах происходит образование свободных радикалов и ионов, также оказывающих разрушительное воздействие на протекающие в них биохимические и физиологические процессы. Поэтому, если бы в высоких слоях атмосферы не возник так называемый «озоновый слой» или «озоновый экран», задерживающий значительную часть ультрафиолетового излучения, жизнь на поверхности Земли была бы невозможна.

В спектре ультрафиолетового излучения выделяют три диапазона, в которых процесс прохождения лучей через атмосферу и воздействие на живые организмы существенно отличаются:

- ближний ультрафиолет или УФ-A (UVA), длина волны 315 - 400 нм;

- УФ-B (UVB), длина волны 280 - 315 нм;

- дальний ультрафиолет или УФ-C (UVC), длина волны 100 - 280 нм.

Наибольшую опасность представляет УФ-B. Именно в этом диапазоне длина волн солнечного излучения совпадает со спектром поглощения нуклеиновых кислот. По этой причине облучение организмов УФ-B оказывает сильнейшее мутагенное воздействие - так называемый «ультрафиолетовый мутагенез» (Ауэрбах, 1978). Происходит нарушение процессов естественной репродукции растений и животных, а также развитие онкологических заболеваний (Urbach, 1989) в результате мутагенного воздействия на соматические клетки.

При прохождении через атмосферу с развитым озоновым слоем практически весь УФ-C и приблизительно 90% УФ-B поглощаются озоном, а также парами воды, кислородом и углекислым газом. В результате ультрафиолетовое излучение, достигавшее земной поверхности, обычно состоит из УФ-A и небольшой части УФ-B излучения.

Над разными участками земной поверхности озоновый слой развит неодинаково и расположен на различной высоте. Наиболее мощный озоновый слой формируется над тропической областью на высоте 25 - 30 км. В полярных широтах он наиболее тонок и расположен несколько ближе к земной поверхности (15 - 20 км). В зоне умеренных широт он находится на высоте 20 - 25 км.

Образование озонового слоя происходит в результате воздействия ультрафиолетового излучения Солнца на молекулярный кислород, который распадается на атомы:

О2 + hv > О + О

Последующее взаимодействие этих атомов с молекулами кислорода приводит к образованию озона:

О + О2 > О3

Но молекулы озона достаточно быстро разрушаются. Среднее время их жизни в атмосфере составляет 50 суток (Израэль, 1984). Основным естественным путем разрушения озона является так называемый кислородный цикл или цикл Чепмена (Александров и др., 1992) - озон реагирует с атомом кислорода, в результате чего образуются две молекулы кислорода:

О3 + О > О2 + О2

Таким образом, в стратосфере постоянно идут два противоположно направленных процесса: образование и распад молекул озона. Содержание озона определяется складывающимся балансом этих процессов. В том случае, если скорость распада молекул озона превышает скорость их синтеза, количество озона в атмосфере закономерно снижается. В результате образуются так называемые «озоновые дыры» - локальные участки атмосферы, в пределах которых наблюдается существенное снижение концентрации стратосферного озона.

Нарушение баланса между процессами образования и распада молекул озона в стратосфере может происходить на всех ее участках. Но, как правило, озоновые дыры образуются над полярными областями. Это объясняется тем, что над ними озоновый слой развит относительно слабее.

Под воздействием поступающих в стратосферу различных веществ скорость распада молекул озона существенно возрастает. В результате возникает угроза возникновения озоновых дыр над областью умеренных широт, что неминуемо будет сопровождаться деградацией расположенных в их пределах наземных экосистем, снижением урожайности и ухудшением здоровья населения.

В качестве основных агентов разрушения озонового слоя рассматриваются хлор (и другие галогены), пары воды и окислы азота. В соответствии с этим различают хлорный, водородный и азотный циклы:

Хлорный цикл

Cl + О3 = СlO + О2



O + ClO = Cl + О2

O + О3 = О2 +О2

1) хлор реагирует с озоном, образуя окись хлора и молекулу кислорода;

2) окись хлора реагирует с атомом кислорода, в результате чего хлор восстанавливается.

Водородный цикл

OН + О3 = НО2 + О2

O + НО2 = О2 + OН

O + О3 = О2 +О2

1) продукт диссоциации окиси водорода (радикал гидроксила) реагирует с озоном, образуя перекисный радикал водорода (НО2) и молекулу кислорода;

2) в результате реакции перекисного радикала водорода с атомарным кислородом вновь образуется радикал гидроксила.

Азотный цикл

O + NО2 = О2 + NO

NO + О3 = NО2 + О2

O + О3 = О2 +О2

1) в результате реакции атома кислорода с двуокисью азота образуется окись азота;

2) окись азота реагирует с озоном, в результате чего образуется двуокись азота и кислород.

В рассмотренных выше реакциях галогены, гидроксил и окись азота играют роль катализаторов. Эти соединения не изменяются в ходе реакции с озоном. Одна их молекула может вызвать разрушение весьма большого количества молекул озона (от 102 до 107). Поэтому поступление в верхние слои атмосферы даже относительно малого, в планетарных масштабах, количества подобных агентов может привести к разрушению озонового слоя и катастрофическим экологическим последствиям.

Основными источниками разрушения озонового слоя считаются следующие виды деятельности:

v Использование бытовых и промышленных холодильников, работающих с использованием фреонов и галонов (фторсодержащих фреонов), которые представляют собой летучие жидкости, состоящие из галогенуглеводородов. При ремонте и утилизации такого оборудования значительные количества этих веществ, оказавшись в атмосфере, обогащают ее хлором и другими галогенами.

v Производство галогенсодержащих синтетических материалов, прежде всего упаковочных (пластиковых пакетов и др.). Попадая после использования в окружающую среду, например на открытые свалки твердых бытовых отходов (ТБО), эти материалы, распадаясь, также становятся значимым источником поступления галогенов в атмосферу.

v Использование азотных удобрений, часть которых преобразуется в окислы азота, поступающие в атмосферу.

v Полеты высотных самолетов и запуск космических аппаратов, сопровождающиеся выбросом в атмосферу большого количества паров воды и окислов азота, образующихся при сжигании топлива.

v Мощные взрывы, особенно ядерные, в результате которых значительная масса веществ, в т.ч. и способствующих разрушению озонового слоя, может достигать верхних слоев атмосферы.

В качестве агентов разрушения озонового слоя могут выступать многие вещества, образование которых происходит в процессе весьма широкого спектра видов технической деятельности, помимо перечисленных выше. Их перечень содержится в Монреальском протоколе, принятом ОНН с целью предотвращения разрушения озонового слоя 16 сентября 1987 г. (МП.., 1988). В современной редакции данное международное соглашение, приверженность которому Российская Федерация в очередной раз официально подтвердила в 2014 году (Постановление.., 2014), предусматривает осуществление контроля за выбросами в окружающую среду около 100 химических веществ. Перечень этих веществ постоянно пополняется (Мазурин и др., 2014).

Следует отметить, что ряд специалистов придерживается мнения о том, что периодическое появление озоновых дыр обусловлено естественными причинами (Исидоров, 2001; Потапенко, 2004). Впервые гипотеза об истощении озонового слоя вследствие загрязнения атмосферы фреонами была выдвинута в статье Молины и Роуленда (Molina, Rowland, 1974). Однако обоснованность «гипотезы Молины-Роуленда» ставится рядом современных ученых под сомнение (Сорохтин, Ушаков, 2002). Они полагают, что образование озоновых дыр - это естественный процесс, существовавший и в доиндустриальную эпоху. Причина их возникновения кроется в образовании в атмосфере особых условий, связанных со структурой воздушных масс, их динамикой и сезонными изменениями климата. Высказывается также мнение, что основными веществами, способными вызывать локальные разрушения озонового слоя, являются не техногенные фреоны и окислы азота, а метан и водород естественного происхождения. Их взаимодействие с озоном протекает в форме следующих химических реакций:

СН4 + 4О3 > СО2 + 2Н2О + 4О2

Н2 + О3 > О2 + Н2О

По мнению О.Г. Сорохтина и С.А. Ушакова (2002), объем техногенных агентов разрушения озонового слоя в настоящее время ничтожно мал в сравнении с объемами естественной эманации метана и водорода. По их оценкам, при гидратации пород океанической коры освобождается около 10 млн т/год СН4 и приблизительно столько же Н2, тогда как техногенный выброс фреонов не превышает 100 тыс. т/год. По некоторым данным, выделение СН4 из океанов достигает 16 млн т/год. Помимо этого, многие миллионы тонн метана и водорода поступают из почв, болот и тропических лесов. Общая масса ежегодно поступающих в атмосферу природных газов, способных разрушать озон, по оценкам указанных авторов, достигает многих десятков миллионов тонн.

Таким образом, общепринятого мнения в отношении процесса разрушения озонового слоя не существует. К настоящему времени выдвинуто около двадцати различных версий о причинах данного феномена (Сывороткин, 2002). Например, помимо рассмотренной выше природной эманации метана и водорода, этот процесс может стимулироваться продуктами вулканизма в периоды крупных извержений. Поступление хлора в стратосферу происходит также из Мирового океана, из вод которого он в большом количестве выделяется в форме метилхлорида.

Сторонники гипотезы техногенного разрушения озонового слоя в качестве контраргумента приводят тот факт, что природные соединения галогенов и другие естественные агенты разрушения озонового слоя в подавляющем большинстве значительно менее устойчивы во времени, чем техногенные. Например, время существования метилхлорида в атмосфере составляет порядка одного года, тогда как техногенные фреоны и галоны способны существовать в ней десятки лет (Исидоров, 2001). Так, очень мощное извержение вулкана Пинатубо на Филиппинах в июне 1991 года сопровождалось ощутимым снижением содержания стратосферного озона. Но уже через три года практически вся масса агентов разрушения озонового слоя, поступивших из данного источника, исчезла из атмосферы. Следовательно, извержения вулканов могут рассматриваться в качестве факторов краткосрочного воздействия на озоновый слой, в отличие от значительно более долгоживущих техногенных агентов его разрушения.

Однако, несмотря на недостаточную обоснованность гипотезы «Молины-Роуленда», в научном сообществе укрепляется мнение, что существование озонового экрана, защищающего жизнь на поверхности Земли от губительного ультрафиолетового излучения, находится под угрозой, которая обусловлена растущим воздействием человеческой деятельности на окружающую среду. На опасность развития этой тенденции указывают наблюдения, проводимые под эгидой ООН крупными международными организациями (Scientific Assessment, 2011). Над полярными областями, где озоновый слой более тонок, формируются обширные «озоновые дыры» и поток достигающего поверхности планеты ультрафиолетового излучения резко усиливается. Так, в марте 2011 года в течение месяца над районами Арктики, Гренландии и севера Северной Америки существовала «озонная дыра», в которой снижение содержания озона достигало 45% от нормы (Дьяков, Жоголев, 2014). В апреле того же года длительное время «озонная дыра» отмечалась над Сибирью с максимумом понижения озона до 40%. Аналогичные явления отмечались и над европейской частью России: над городом Воронеж отмечалось разрушение озонового экрана с падением содержания озона до 30%. Вполне возможно, что подобные явления происходили всегда и обусловлены естественными причинами. Но масштабы опасности огромных экологических и социально-экономических ущербов, а также возникновение угрозы для жизни и здоровья населения планеты, которые могут возникнуть при разрушении озонового слоя, столь велики, что пренебречь даже относительно небольшим риском подобных событий нельзя. Хочется еще раз подчеркнуть, что основная цель науки заключается не в фиксации уже произошедших событий, а в их прогнозе, в недопущении развития тенденций, представляющих угрозу существованию человечества и пригодной для существования его и других форм жизни окружающей среды.

Обсуждая вопрос о риске разрушения озонового слоя, необходимо обратить внимание на два обстоятельства, принципиально отличающих данный феномен от рассмотренного в предшествующем разделе парникового эффекта. Во-первых, происходящие глобальные климатические изменения, обусловленные эмиссией парниковых газов, вписываются в размах естественных флуктуаций, неоднократно происходивших в геологической истории Земли. Даже в переходные периоды между состояниями «теплой» и «холодной» биосферы, когда в результате резкого изменения условий уровень биоразнообразия заметно снижался, значительная часть видов животных и растений все же сохранялась. Но если хотя бы один раз за время существования биосферы За исключением начального периода ее становления, когда состав атмосферы Земли еще не приобрел «окислительный характер» благодаря жизнедеятельности живых организмов и отличался высокой концентрацией кислорода. произошло бы исчезновение озонового экрана, это привело бы к гибели практически всей наземной биоты, включая микроорганизмы.

Во-вторых, развитие парникового эффекта может возникнуть только как результат поступления в атмосферу огромного количества парниковых газов, способного вызвать значимое изменение ее состава в глобальных масштабах. Разрушение же озонового экрана происходит не в результате прямого изъятия озона из атмосферы, а как следствие катализа процессов его распада. Для того чтобы вызвать катастрофические последствия, достаточно проникновение в стратосферу весьма незначительного (по сравнению с объемом содержащегося в ней озона) количества веществ, выступающих в роли катализаторов.

Это вынуждает нас, пусть даже априорно, рассматривать процесс разрушения озонового слоя как опаснейшее последствие глобального техногенеза Этот процесс, несмотря на локальность внешних проявлений (образования озоновых дыр над определенными участками), рассматривается как глобальный, поскольку источники, поставляющие вещества, разрушающие озоновый слой, расположены повсеместно, а их воздействие носит совокупный характер. и своевременно разрабатывать меры, способные предотвратить возможное развитие данного процесса в будущем.

Если принять точку зрения, согласно которой процесс разрушения озонового слоя усиливается и носит техногенный характер, то данный феномен следует рассматривать как один из основных факторов, обусловливающих переход биосферы в состояние биотехносферы. В случае деградации озонового экрана условия существования организмов будут существенно отличаться от естественных.

Снижение концентрации озона на 1% приводит в среднем к увеличению интенсивности жесткого ультрафиолета у поверхности Земли на 2% (Дьяков, Жоголев, 2014). У человека и животных повышение интенсивности ультрафиолетового излучения, помимо развития онкологических заболеваний, вызывает поражение органов зрения. Так, в ходе исследований, проведенных различными специалистами, установлена четкая зависимость между увеличением интенсивности ультрафиолетового излучения и количеством людей, у которых развивается катаракта глаз (Hollows, Moran, 1981; Jose, Pitts, 1985). Не менее губительно действие ультрафиолетового излучения (особенно в диапазоне УФ-В) на растения, животных и структуру наземных экосистем в целом (Самойлова, 1982; Jordan, 1996; Стржижовский, 1999; Caldwell et al., 2003).

Разработка мер по борьбе с разрушением озонового экрана, так же как и деятельность по предотвращению развития парникового эффекта, в настоящее время осуществляется в рамках ограничительной парадигмы (табл. 3). Однако в отношении парниковых газов разрабатываются меры как по ограничению их эмиссии, так и по интенсификации стока (развитие этого направления, хотя и рассматривается как второстепенное, признано официально). В отличие от этого, меры по предотвращению разрушения озонового экрана носят сугубо односторонний характер, полностью соответствующий ограничительной парадигме природоохранной деятельности. Она заключается в контроле за поступлениями агентов разрушения озонового слоя в окружающую среду. Причем эти меры реально применяются лишь по тем направлениям, где они технически осуществимы. Так, наибольшее значение придается контролю над органическими соединениями галогенов техногенного происхождения, использующихся в холодильном оборудовании. От увеличения количества летательных аппаратов в стратосфере никто отказываться не собирается, хотя объемы сжигаемого в верхних слоях атмосферы топлива, поставляющего вещества - катализаторы процесса распада озона, стремительно растут.

Но даже результативность отдельно взятых мер по контролю производства фреонов и попыток их заменить аналогами весьма сомнительна. Если абстрагировать этот процесс от других источников эмиссии агентов разрушения озонового слоя, его восстановление в результате предпринимаемых мер можно ожидать не ранее середины XXI века (Newman et al., 2006). Но и это маловероятно, поскольку иные виды деятельности, стимулирующие процессы распада озона в стратосфере за этот же период, скорее всего, значительно усилятся. Ряд специалистов также высказывает сомнения в целесообразности внедрения в практику заменителей фреонов: попадая в атмосферу, они могут трансформироваться в высокотоксичные соединения (Исидоров, 2001). Кроме того, они значительно дороже и их использование существенно сокращает срок эксплуатации бытовых холодильников (Мазурин и др., 2014).

Приведенные выше факты рано или поздно вынудят человечество перейти к активному вмешательству в процессы синтеза и распада озона, происходящие в стратосфере, искать способы управления их балансом (табл. 3). Весьма желательно, чтобы смена парадигмы в сознании специалистов произошла бы до того момента, когда необходимость этого шага будет вызвана катастрофическим изменением ситуации. Уже сейчас необходимо разрабатывать методы, кажущиеся в современных условиях не только фантастичными, но и вредными, как и любые попытки превратить деградирующую биотехносферу в управляемую природно-техническую систему. Например, перспективным направлением может стать разработка новых видов топлива для высотных самолетов и космической техники, при сгорании которого образуются вещества-ингибиторы распада озона. Несомненно, что подобное вмешательство в атмосферные процессы должно получить достаточное теоретическое и экспериментальное научное обоснование.

3.4 Глобализация процесса загрязнения атмосферы

Согласно определению, данному в статье 1 ФЗ «Об охране окружающей среды» Федеральный закон «Об охране окружающей среды» от 10.01.2002 г. № 7-ФЗ., под ее загрязнением понимается поступление в окружающую среду вещества и (или) энергии, свойства, местоположение или количество которых оказывают негативное воздействие на окружающую среду. В экологической литературе и природоохранных нормативах это понятие трактуется еще более широко - загрязнение может возникнуть не только при попадании в среду каких-то агентов, но и в результате их образования в ней. С этой точки зрения к категории загрязнителей относятся химические вещества, физические и биологические агенты, проникающие в окружающую среду из внешних источников или возникающие в ней в количествах, выходящих за рамки предельных естественных колебаний или среднего природного фона. При этом подразумевается, что эти явления оказывают негативное воздействие на качество среды и здоровье человека.

Стремительный рост масштабов производственной деятельности, наблюдавшийся с начала периода европейской индустриализации XVIII -XIX веков, в совокупности с высокой динамичностью воздушной среды, обусловил столь же стремительное расширение участков, в которых проявления последствий загрязнения атмосферы достигли значимого уровня.

Загрязнение атмосферы происходит одновременно в виде нескольких процессов, в которых природа агентов принципиальна отличается. К наиболее значимым из них, достигшим к настоящему времени глобальных масштабов или закономерно приближающимся к ним, следует отнести следующие формы загрязнения:

- радиоактивное;

- механическое (аэрозольное);

- химическое;

- тепловое (энергетическое);

- вторичное, агенты которого образуются в ходе физико-химических процессов, протекающих под воздействием техногенных факторов непосредственно в атмосфере.

Подобное деление в значительной мере носит условный характер. Например, радиоактивное загрязнение атмосферы часто неразрывно связано с ее механическим загрязнением, а вторичное загрязнение возникает на основе химического. Необходимость отдельного (абстрагированного) анализа перечисленных форм атмосферного загрязнения продиктована особенностями развития каждого из этих феноменов, спецификой вызванных ими негативных экологических последствий и мерами, направленными на их предотвращение.

Радиоактивное загрязнение атмосферы обусловлено присутствием в ней веществ, содержащих нестабильные изотопы - радионуклиды. Глобализацию этой формы загрязнения обычно связывают с периодом проведения интенсивных наземных и воздушных ядерных испытаний. Попавшие в атмосферу радионуклиды в течение короткого времени переносились воздушными потоками на огромные расстояния. Так, продукты ядерных испытаний 07.03.1955 года в штате Невада (США) уже через несколько дней (12.03.1955 г.) в значительных количествах выпали в Ленинградской области (Пивоваров, Михалев, 2004). После взрыва в Сахаре 13 февраля 1966 года продукты деления были обнаружены уже через четыре дня в Крыму.

Таким образом, в результате открытых испытаний ядерного и термоядерного оружия, продолжавшихся около 40 лет, произошло практически необратимое изменение радионуклидного состава атмосферы. Влияние на этот процесс оказали и аварийные выбросы радиоактивных материалов. Поступление радионуклидов в атмосферу происходит и при нормальной работе атомных реакторов (Бадяев и др., 1990), а также при добыче и переработке ядерного топлива.

Не следует также игнорировать и иные виды деятельности, вносящие свой значимый вклад в радиоактивное загрязнение атмосферы. К ним прежде всего относится включение в технологические циклы различных видов минерального сырья, содержащего радионуклиды (Gesell, Prichard, 1975). Например, при сжигании углей из некоторых месторождений в атмосферу попадает значительное количество радионуклидов (Апплби и др., 1999). Добыча и сжигание природного газа сопровождается поступлением в атмосферу больших количеств радионуклидов в форме инертного газа радона (222Rn). Радиоактивное загрязнение среды происходит и при внесении в почву некоторых видов минеральных удобрений. В последующем часть радионуклидов в составе аэрозолей, образовавшихся в ходе дефляционных процессов, также может поступать в атмосферу. Несмотря на относительно низкое содержание радионуклидов, в этих источниках их распространенность обусловливает необходимость их учета. Их совокупный вклад в глобальное радиоактивное загрязнение атмосферы не менее значим, чем последствия аварий на радиационно-опасных объектах.

Механическое загрязнение атмосферы обусловлено присутствием в ней различных частиц техногенного происхождения, которые мы при анализе их воздействия на окружающую среду будем рассматривать как химически инертные. Подобное искусственное отделение физических свойств аэрозолей от присущих им же химических свойств необходимо для выделения ряда важных эффектов.

По происхождению аэрозоли можно разделить на две группы (Трифонов, Девисилов, 2010).

- диспергационные аэрозоли, образующиеся при измельчении твердых или жидких материалов;

- конденсационные аэрозоли, возникающие в процессе конденсации пересыщенных паров или при взаимодействии газов с образованием нелетучих продуктов.

Диспергационные аэрозоли с твердыми частицами называют пылями. Конденсационные аэрозоли с твердой или смешанной дисперсной фазой - дымами. Диспергационные и конденсационные аэрозоли с жидкой фазой называют туманами.

Поступление в атмосферу техногенных аэрозолей происходит в результате самых различных видов человеческой деятельности:

- выбросов промышленных предприятий;

- взрывных работ;

- дефляции (ветровой эрозии), спровоцированной нарушением почвенно-растительного покрова Например, такие крупномасштабные явления, получившие название «черных ураганов», происходили в XIX в. в США при широкомасштабной распашке прерий (Одум, 1968). Столетие спустя подобные нежелательные эффекты сопровождали освоение целины в СССР..

По этой причине общая масса постоянно присутствующих в атмосфере техногенных аэрозолей огромна.

Время пребывания аэрозольных частиц в атмосфере определяется комплексом факторов. Основными из них являются:

- масса частиц (частицы с большей массой при прочих равных условиях оседают быстрее);

- протекающие в атмосфере процессы физико-химической трансформации частиц (агрегация, конденсация и т.п.);

- пространственное размещение частиц (в пределах тропосферы техногенные аэрозоли оседают или разрушаются относительно быстро, в стратосфере они могут существовать годами).

В глобальном масштабе существует следующая закономерность: в течение длительного времени, совпадающего с периодом интенсивного развития промышленности и хозяйственного освоения новых территорий, отмечается устойчивая тенденция увеличения количества техногенных аэрозолей в атмосфере Для общего содержания аэрозолей в атмосфере (включая природные аэрозоли) подобная тенденция не столь выражена, что связано с периодическими выбросами частиц в периоды мощных вулканических извержений. Однако подобные события, нарушающие картину закономерного роста интенсивности механического загрязнения, носят относительно краткосрочный характер.. В конце прошлого века она уже достигала 10 млн тонн (Будыко, 1977).

Присутствие в атмосфере большого количества аэрозолей, задерживающих значительную часть энергии солнечного излучения, может привести к понижению температуры у земной поверхности. Наиболее отчетливо подобные явления наблюдались в годы интенсивных вулканических извержений (Кракатау, Мон-Пеле и др.), когда выброс огромного количества аэрозолей в южном полушарии приводил к значимому похолоданию, захватывающему обширные территории северного полушария. Аналогичные явления могут быть обусловлены и человеческой деятельностью. Крайне негативной формой данного вида глобального техногенного воздействия является так называемая «ядерная зима», т.е. резкое повсеместное понижение температуры после затемнения атмосферы огромным количеством диспергационных аэрозолей, выброшенных в нее ядерными взрывами.

Негативное воздействие механического загрязнения атмосферы достаточно детально изучалось только в отношении человека. Установлено, что существующий в настоящее время уровень содержания аэрозолей в воздухе населенных пунктах вызывает обширный комплекс различных заболеваний (Воздействие…, 2013). Так, считается, что в глобальном масштабе это является причиной 5% развития рака легких.

Экологические последствия существующего уровня механического загрязнения атмосферы исследованы относительно слабо. Происходящее в настоящее время, в результате увеличения в атмосфере количества техногенных аэрозолей, постепенное уменьшение среднего значения коэффициента прозрачности земной атмосферы в видимом диапазоне обозначается в научной литературе термином «глобальное затемнение» (Stanhill, Cohen, 2001). Некоторые специалисты уже отмечают влияние этого фактора на развитие наземной растительности (Climate Change, 2007).

Химическое загрязнение атмосферы, т.е. поступление в нее химически активных веществ, также сопровождало весь путь промышленного развития. Источники и агенты данного вида загрязнения весьма многочисленны и разнообразны (Савенко, 1991). Уже в начале ХХ века данный вид техногенного воздействия приобрел глобальные масштабы. Присутствие вредных веществ в воздухе стало отмечаться повсеместно, в т.ч. в районах, удаленных от промышленных зон на тысячи километров. Наряду с промышленностью все более значимым источником атмосферного загрязнения становится автотранспорт.

Не рассматривая отдельные категории веществ, относимых к наиболее опасным загрязнителям воздушной среды (диоксины и др.), отметим, что именно химическое загрязнение атмосферы рассматривается как наиболее вредный фактор, обусловленный техногенным преобразованием газовой оболочки Земли.

Выбрасываемые в атмосферу в значительных количествах токсичные вещества оказывают неблагоприятное воздействие на животный и растительный мир, приводят к снижению урожайности сельскохозяйственных культур и разрушению структурно-функциональной организации экосистем (Глобальная экологическая перспектива, 2007),

Точно оценить воздействие химического загрязнения на окружающую среду в планетарном масштабе, опираясь на имеющиеся материалы, затруднительно. Хотя, вне всякого сомнения, это один из значимых факторов глобального техногенеза. Различные экологически опасные вещества техногенного происхождения обнаруживаются в живых организмах практически повсеместно, включая Антарктиду.

...