6.4. Проблемы экологии и охраны окружающей среды

Термин “экология” был предложен немецким биологом Эрнстом Геккелем в 1866 году, но вплоть до конца 60-х гг. XX века оставался практически неизвестным для широких слоев общественности. Дело в том, что первые 100 лет под экологией понималась только биологическая дисциплина, в рамках которой изучаются биологические сообщества — на данной территории обитают определенные виды животных и растений, и они взаимодействуют друг с другом и с окружающей неживой средой. В самых общих чертах можно считать, что экология изучает взаимодействие живой и неживой природы как единого целого, является наукой о живом облике биосферы. Широко распространено определение Ч. Кребса: “Экология изучает взаимодействия, обусловливающие распределение и обилие организмов”.

В последние 30–40 лет понятие “экология” стали использовать для обозначения чрезвычайно широкого разнородного круга проблем, с которыми сталкивается человечество и живая природа: самые разнообразные проблемы охраны окружающей природы, загрязнение среды, рост народонаселения, потребление различных ресурсов и прежде всего пищи и энергии. Таким образом, начиная с 70-х годов экология вышла за рамки чисто биологической дисциплины. В настоящее время в рамках экологии (в широком смысле слова) выделяют несколько десятков научных дисциплин⁴.

Сформировалось два аспекта экологии — антропоцентрический (в центре внимания человечество) и биоцентрический (когда в центре внимания жизнь во всех ее проявлениях). Многообразие жизни лежит в основе устойчивости биосферы, т.е. чем больше форм сохранится, тем больше шансов выжить будет у человечества.

Достижения человеческой цивилизации в покорении природы не отменяют объективных законов природы. По мере роста численности населения и возрастания потребления энергии роль этих законов только усиливается. Будущее нашей цивилизации зависит от познания законов и соответствующих действий, направленных на сохранение окружающей среды. Основная проблема связана с тем, что быстрый технологический прогресс стал возможен за счет активного использования невозобновляемых ресурсов, прежде всего горючих ископаемых. Человек существенно изменяет естественные круговороты энергии, воздуха, воды и других веществ.

Изменения химического состава атмосферы

Становление нашей цивилизации основано на использовании природных ресурсов, каждый год человечество сжигает более 3,5 млрд т каменного и бурого угля, более 3 млрд т нефти и нефтепродуктов, многие десятки триллионов кубометров природного газа, миллионы кубометров древесины, огромное количество торфа, горючих сланцев. Сырьем для химического производства является самые разнообразные соединений. Существенная часть этих веществ в конечном счете оказывается в атмосфере. Еще в 1934 г. В.И. Вернадский писал о неизбежности изменения химического состава атмосферы.

Рис. 6.4. Временная динамика озона

Рис. 6.5. Распределение вдоль широты хлора и озона

Проблемы стратосферного озона. В гл. 5 отмечалось особое значение для жизни озонового слоя. Наблюдения за концентрацией озона начиная с конца 60-х гг. свидетельствуют о сокращении среднего количества озона в стратосфере на несколько процентов за последние 30–40 лет (рис. 6.4). В 1985 г. мировая общественность узнала о новом опасном феномене — над Антарктидой весной обнаруживается систематическое уменьшение содержания озона. Появился новый термин “озоновая дыра”. Под озоновой дырой понимают кратковривости биосферы, т.е. чем больше форм сохранится, тем больше шансов выжить будет у человечества.

Достижения человеческой цивилизации в покорении природы ^не отменяют объективных законов природы. По мере роста численности населения и возрастания потребления энергии роль этих законов только усиливае^тся. Будущее нашей цивилизации зависит от познания законов и соответствующих действий, направленных на сохранение окружающей среды. Основная проблема связана с тем, что быстрый технологический прогресс стал возможен за счет активного использов⁵ния невозобновляемых ресурсов, прежде всего горючих ископаемых. Человек существенно изменяет естественные круговороты энергии, воздуха, воды и других веществ.

Изменения химического состава атмосферы

Становление нашей цивилизации основано на использовании природных ресурсов, каждый год человечест_во сжигает более 3,5 млрд т каменного и бурого угля, более 3 млрд т нефти и нефтепродуктов, многие десятки триллионов кубометров природного газа, миллионы кубометров древ_есины, огромное количество торфа, горючих сланцев. Сырьем для химического производства является самые разнообразные соединений. Существенная ч_асть этих веществ в конечном счете оказывается в атмосфере. Еще в 1934 г. В.И. Вернадский писал о неизбежности изменения химического состава атмосферы.

INCLUDEPICTURE D:\\AVH\\ESTEST\\ESTEST-4\\FIG\\O_3_DYNA.BMP \* HEX \d §

Рис. 6.4⁶ Временная динамика озона

INCLUDEPICTURE D:\\AVH\\ESTEST\\ESTEST-4\\FIG\\CL__O_3.BMP \* HEX \d §

Рис. 6.5. Распределение вдоль широты хлора и озона

Проблемы стратосферного озона. В гл. 5 отмечалось особое значение для жизни озонового слоя. Наблюдения за концентрацией озона начиная с конца 60-х гг. свидетельствуют о сокращении среднего количества озона в стратосфере на несколько процентов за последние 30–40 лет (рис. 6.4). В 1985 г. мировая общественность узнала о новом опасном феномене — над Антарктидой весной обнаруживается систематическое уменьшение содержания озона. Появился новый термин “озоновая дыра”. Под озоновой дырой понимают кратковременное уменьшение концентрации озона в 1,3–2,5 раза по отношению к норме. Антарктическая озоновая дыра регулярно наблюдается весной на площади ~ 20 млн км2 в течение 2–3 месяцев. В Северном полушарии (в том числе над Россией) образуются “мини-дыры” на несколько дней или недель площадью до 1 млн км2. Отметим следующие особенности: 1) дефицит общего содержания озона по сравнению с климатической нормой в центре дыр достигает 30–35 %; 2) время жизни таких аномалий 1–30 дней; 3) число аномалий, их глубина и размеры увеличиваются год от года; 4) особую озабоченность вызывает тот факт, что если раньше аномалии приходились в основном на осенне-зимний период, то теперь все чаще они появляются летом и весной.

Отметим основные возможные антропогенные причины истощения озонового слоя:

1) Из-за полетов стратосферной авиации окислы азота (NOx) попадают в стратосферу и разрушают молекулы озона.

2) Активное использование азотосодержащих удобрений является важнейшим каналом попадания в атмосферу закиси азота N2O.

3) Окислы азота поступают в атмосферу при сжигании промышленного топлива.

4) Разрушение озона происходит при наличии окислов водорода HOx. Водород попадает в атмосферу прежде всего в виде водяного пара и метана.

5) По-видимому, наиболее серьезную опасность для озонового слоя представляет хлор (рис. 6.5). Главным источником хлорных соединений в атмосфере являются фреоны, галогенсодержащие вещества, четырехлористый углерод, ди§лорэтан. Фреоны являются долгоживущими соединениями, их время ⁷изни в атмосфере составляет десятки и сотни лет, и с этим связана основная опасность этих соединений.

Научная гипотеза об истощении озонового слоя под воздействием прежде всего хлорфторуглеводородов была сформулирована Ш. Ро­у­лендом и М. Молиной в 1974 г. Эта проблема стратосферного озона служит лучшим пример^ом того, насколько быстро первонач^ально научная концепция превращается в глобальную общественно-эконо­ми­ческую и политическую проблемы. Уже в конце 80-х годов были подписаны первые международные соглашения по спасению оза 80-х годов свидетельствуют о среднем увеличении температуры арктических вод на 1 ^оС. Имеются данные, что с начала века среднепланетарное количество осадков увеличилось на 22 мм. Зафиксировано отступление горных ледников. Например, в Альпах средний уровень их нижней границы в XX в. поднялся более чем на 30 метров. Заметно сокращается площадь оледенения Антарктиды в основном за счет шельфовых льдов.

Увеличение температуры может уменьшить среднепланетарное альбедо, изменить уровень Мирового океана, увеличить влажность климата. Эти и другие процессы могут являться свидетельством того, что человечество превратилось в мощную геологическую силу, способную за очень короткий срок изменить глобальные параметры биосферы.

Водные ресурсы. Пресная вода составляет всего 2–2,5 % от общего объема гидросферы. Причем 85 % ее находится в ледниках, 14 % — подземные глубинные воды, 0,6 % — воды озер и водохранилищ. От нехватки питьевой воды страдает 20 % населения Земли. Эта проблема становится одним из главных факторов, сдерживающих развитие цивилизации во многих регионах Земли. В настоящее время годовое потребление питьевой воды достигло 3200 км³. Для сравнения, во всех речных руслах содержится 1200 км³. Пресной воды на Земле только 2 %, иначе говоря — лишь 30 млн км³, причем почти вся она обращена в лед на вершинах гор, в Арктике и в Антарктиде. Свободной воды, участвующей в круговороте, всего лишь около 0,5 млн км³. Проблема питьевой воды в немалой степени связана с истощением и загрязнением поверхностных вод суши, континентальных водоемов и подземных вод. Наблюдается нарушение баланса между поверхностными и подземными водоемами.

Происходит загрязнение Мирового океана промышленными и бы­товыми отходами, в результате захоронения ядовитых и радиоактивных веществ. Загрязнение гидросферы происходит в трех направлениях: 1) микроорганизмами; 2) неорганическими соединениями — ионами тяжелых металлов, нитратами, нитритами, радионуклидами и т.д.; 3) органическими веществами.

Глобальные колебания уровня Каспийского моря. С 1934 г. наблюдалось резкое падение уровня Каспийского моря на 9–20 см/год. С 1883 по 1977 г. общее понижение составило 3,8 м. Для того, чтобы уменьшить испарение воды, был перегорожен залив Кара-Богаз-Гол. Рассматривались различные проекты по спасению водоема, включая переброску сибирских рек. Но с 1978 г. уровень Каспийского моря стал стремительно повышаться на 14–30 см в год, началось подтопление и затопление прибрежных населенных пунктов. Дамбу, отделявшую Кара-Богаз-Гол от Каспийского моря, разрушили, однако повышение уровня воды продолжается. На наших глазах происходит геоэкологическая катастрофа Каспия.

Построенные математические модели Каспийского моря приводят к возможности существования двух стационарных состояний этой системы. В результате этот бассейн характеризуется двумя уровнями воды, которые квазипериодически сменяют друг друга. Знаменательно, что такое поведение не противоречит археологическим источникам. При раскопках стоянок каменного века на Южном Урале отмечено периодическое изменение высоты нахождения поселений, которое коррелирует с засухами и влажными периодами. Оказалось, что эти изменения полностью совпадают с периодическими изменениями уровня Каспийского моря за последние 10 тыс. лет. Этот пример, с одной стороны, демонстрирует сложность природных систем, а с другой, показывает, что глобальное вмешательство человека требует очень большой осторожности.

Антропогенные экологические катастрофы

Наш человеческий вид на протяжении своей истории не раз оказывался, в той или иной мере, виновником экологических катастроф.

Первый антропогенный экологический кризис. В эпоху перепромысла (30–10 тыс. лет назад) исчезло значительное число биологических видов и популяций в результате прямого уничтожения, считается, что кризис обеднения ресурсов промысла и собирательства сыграл существенную роль в переходе к скотоводству и земледелию. В последние 10 тыс. лет, в первую очередь, за счет воздействия на место обитания продолжался процесс обеднения живой природы. В результате 75 % видов крупных животных и растений и 99 % трав, членистоногих и других мелких организмов сохраняются только в результате специальных природоохранных мероприятий.

Второй антропогенный экологический кризис связан в первую очередь с перепромыслом растительного материала. Разрешение кризиса произошло в рамках промышленной революции Западной Европы.

Современный глобальный экологический кризис связан прежде всего с загрязнением окружающей среды и нехваткой природных ресурсов. Его преодоление происходит в рамках научно-технической революции.

Экологические проблемы атомной промышленности. Атомная энергетика, как и другие отрасли промышленности, обнаруживает вредные факторы, потенциально опасные для человека. Основную потенциальную опасность представляет радиоактивное загрязнение. Авария на АЭС в Гаррисберге (США) 28 марта 1979 года и разрушение одного энергетического блока на Чернобыльской АЭС (Украина) 6 мая 1986 года, а также многие другие не столь значительные аварии во многих странах мира, которые не привели к значительному радиоактивному загрязнению, свидетельствуют, что к ядерной энергетике необходимо предъявлять особые требования к надежности всех систем с учетом человеческого фактора. На территории России известно 20 загрязненных территорий в результате промышленной эксплуатации, аварий, сброса отходов, мероприятий оборонного характера.

Изменение геохимии отдельных районов происходит в результате перемещения тяжелых металлов и концентрации их на поверхности. Наблюдается накопление на поверхности суши ядовитых и радиоактивных веществ, бытового мусора и промышленных отходов. Речь идет о практически неразложимых веществах, возникновении вторичных химических реакций с образованием токсичных веществ. Помимо 13 металлов (Be, Al, Cr, As, Se, Ag, Cd, Sn, Sb, Ba, Hg, Tl, Pb), образующих токсичные соединения, имеются тысячи органических веществ синтетического происхождения, которые при постоянном воздействии вызывают серьезные нарушения деятельности основных жизненных систем организма. Еще один источник загрязнения окружающей среды — радиоактивные элементы (стронций-90, цезий-137, церий-144, кобальт-60 и др.).

Сокращение лесов и опустынивание планеты. Сокращение тропических лесов, главных производителей кислорода в биосфере, идет со скоростью 10 млн га/год, а тайги — 2,5 млн га/год. При современных темпах уничтожения тропического леса к 2050 г. они исчезнут на планете полностью. В Западной Европе почти не осталось лесов с полноценным природным биоценозом. Площадь лесов за последние 300 лет уменьшилась более, чем наполовину. На наших глазах происходит опустынивание новых регионов. Огромной проблемой является ухудшение качества плодородных земель — не менее 60 % пашни подвержены эрозии. За свою не такую уж долгую историю человечество потеряло больше плодородных земель, чем обрабатывается в настоящее время. Этот процесс идет со скоростью 7,5 млн га/год.

Уменьшение биологического разнообразия растений и животных. Имеется огромное число примеров этого явления. Достаточно сказать, что за последние десятилетия в мире ежегодно исчезает несколько видов животных и растений. С 1600 по 1974 г. вымерло 194 вида только позвоночных животных (всего позвоночных около 40 тыс. видов). Численность многих популяций настолько мала, что исчезновение этих видов является только вопросом времени. В существенной мере это связано с проблемой коренной перестройки естественных ландшафтов. Измененные или искусственно созданные человеком ландшафты занимают более половины поверхности суши земного шара. Мангры сведены более чем на 90 %, степи на 70–80 % и более, широколиственные леса на 40–50 % и более. Столь глубокие антропогенные изменения природных зон привели к кардинальному изменению биологической эволюции. Темпы вымирания видов животных и растений катастрофически увеличились, появление же новых видов с такой же скоростью, естественно, не произошло.

Аральское море. Трагедия Аральского моря и чрезвычайная экологическая обстановка (ухудшение здоровья населения, деградация местной экосистемы, вывод из хозяйственного оборота огромного региона, ухудшение климатических условий), сложившаяся в южном Приаралье, обусловлены зарегулированием стока рек Амударьи и Сырдарьи. С 1961 г. объем воды Аральского моря уменьшился более чем в 3 раза. В 1988 г. Аральское море разделилось на две части и его площадь сократилась в 2 раза, соленость воды в нем повысилась в 2,5 раза. Причиной этой экологической катастрофы является хозяйственная деятельность человека. По общему мнению ученых, восстановить Аральское море в прежнем виде невозможно, а для стабилизации на современном уровне требуются чрезвычайные меры. При сохранении нынешнего положения море превратится в огромный солончак.

Астраханский газоконденсатный комплекс. Сложной является ситуация на Астраханском газоконденсатном месторождении, где добыча ведется вблизи разломов. Принимая во внимание, что давление в месторождении 650 атмосфер, содержание сероводорода и углекислого газа по 25 %, то месторождение можно считать чрезвычайно техногенно-опасным. Распространение в последние годы в Нижнем Поволжье кислотных дождей, в первую очередь, обусловлено работой этого предприятия.

Рис. 6.6. Экологическая напряженность на территории России (по Б.И. Кочурову)

Масштаб воздействия лесных пожаров на биосферу, без сомнения, относит их к глобальным явлениям. Более 30 тыс. лесных пожаров регистрируется на территории России ежегодно. В отдельные годы площадь пожаров в лесах Евразии превышает 10 млн га. В результате многомесячных пожаров 1997 г. в Индонезии в атмосферу попало примерно 1 млрд т углерода, что в трое превышает годовой объем всех источников углерода в Западной Европе.

В настоящее время на локальные антропогенные воздействия человечество часто уже не обращает внимание. За 10 лет в результате добычи руды возникает карьер глубиной в 500 метров, в течение нескольких лет создаются огромные искусственные водохранилища. Воздействие современных городов-мегаполисов простирается на огромные территории. Масштабы антропогенного воздействия являются планетарными. Ежегодно извлекается и перемещается свыше 100 млрд тонн горных пород. Человечество активно использует примерно половину площади суши — населенные пункты, производства, дороги занимают 10 % территории; на поля, сады, плантации приходится 13 %; сенокосы и пастбища — 25 %; искусственные леса — 5 %.

На рис. 6.6 показана география интегральной экологической напряженности. Около 40 % территории России относится к высоким и средним уровням напряженности.

К числу экологических катастроф несомненно следует относить войны и вооруженные конфликты.

Взаимоотношения человека и микроорганизмов. Помимо физических и химических мутагентов оказывается, что и вирусы могут изменять генетическую структуру. Причем вирусы приводят к существенно большей частоте мутаций отдельных генов по сравнению с известными физико-химическими мутагентами. Это связано с тем, что мутагентность вирусов определяется молекулами нуклеиновой кислоты вируса. Таким образом, вирусы могут играть важную роль в изменении наследственной информации, а следовательно в эволюции в целом.

Микроорганизмы, в частности патогенные бактерии, являются удивительно изменчивыми и легко приспособляются к новым факторам. В связи с этим можно упомянуть три горьких разочарования медицины XX века. В начале века, после открытия бактериофагов (вирусы бактерий), возникла новая отрасль медицины — фаговая терапия. Фаги сначала начали активно убивать бактерии, затем перестали работать. История повторилась после внедрения в практику сульфамидных препаратов (например, белого стрептоцида). Сначала эти препараты были весьма действенными, но потом быстро потеряли эффективность против многих видов болезней. Третье великое разочарование медицины — антибиотики. Когда в медицинскую практику широко внедрился пенициллин, казалось, что наступила окончательная победа над болезнетворными бактериями. Но микробы быстро приспосабливаются к новым антибиотикам. Более того, возникли штаммы бактерий, для нормального роста которых антибиотик стал необходим.

Загрязнение околоземного космического пространства. Когда говорят о загрязнении окружающей среды, как правило, подразумевают загрязнение атмосферы, почв, водных бассейнов. В последние десятилетия к числу активно используемых человеком областей присоединился ближайший космос. Число космических аппаратов различного назначения (научных, военных и, прежде всего, телекоммуникационных) постоянно увеличивается и в настоящее время одновременно работают сотни спутников⁸. Число аппаратов в рамках уже финансируемых проектов планируется довести до многих сотен в самое ближайшее время. Ежегодно запускается несколько десятков спутников в год. Часто с прекращением работы спутники остаются на орбите еще очень длительное время. Вывод на орбиту космических аппаратов и их последующее функционирование приводит к образованию большого количества техногенного мусора. В настоящее время в околоземном космическом пространстве находится свыше 4 млн фрагментов. Их суммарная масса превышает 5000 т. Рост числа фрагментов в ближайшем будущем приведет к новой проблеме, связанной с возникновением лавинообразного увеличения космического мусора из-за столкновений обломков друг с другом. Расчеты показывают, что если не предпринимать мер, то через несколько десятилетий использование ближайшего космического пространства окажется невозможным.

Активное освоение околоземного космического пространства при­водит к изменению химического состава верхней атмосферы, радиоактивному загрязнению, значительным энергетическим и динамическим возмущениям атмосферы.

Космические катастрофы (падение астероидов, взрывы сверхновых). От мелких метеоритов Землю спасает плотная атмосфера. Последствия падения крупных небесных тел (астероидов) хорошо видны в виде многочисленных кратеров на планетах и их спутниках (Меркурий, Марс, Луна, Фобос, Миранда, Диона и др.), лишенных значительной атмосферы. Диаметры кратеров достигают нескольких сотен километров. Большая редкость кратеров на Земле связана с их быстрым разрушением под действием водной, воздушной и растительной эрозии. К тому же большая часть Земли покрыта морями и океанами.

Хорошо сохранился кратер в Аризоне (диаметр 1220 метров, возраст 50 тыс. лет, первоначальная масса астероида около 12 тыс. т). Недавно с помощью аэрофотосъемки обнаружены следы огромного кратера во Флориде диаметром сотни км. В июле 1994 года даже с помощью слабых оптических приборов можно было наблюдать грандиозное явление, связанное с падением на Юпитер кометы Шумейкера-Леви. Для земной биосферы событие такого рода может иметь катастрофические последствия. За долгую земную историю падения крупных небесных тел происходили многократно. Сихотэ-Алинский метеоритный дождь 12 февраля 1947 г. возник в результате падения мелкого астероида массой в сотни тонн и диаметром несколько метров (собрано с территории 20 кв. км около 30 т). Тунгусский метеорит (30 июня 1908 г.) являлся, по-видимому, обломком ядра кометы Энке. В районе реки Попигай на севере Сибири сохранилась котловина (около сотни километров в диаметре) от падения 39 млн лет назад астероида массой 1 млрд т (диаметр 1–1,5 км). Массовая аэрофотосъемка Земли позволила обнаружить большое число огромных кратеров до сотни и больше километров в диаметре. Примерно 65 млн лет назад Земля встретилась с астероидом размером около 10 км. При падении он развалился на много частей. Места падения некоторых из них известны. Самый большой метеоритный кратер Чиксулуб диаметром 180 км возник в южной Мексике на полуострове Юкатан, кратеры Кара (60 км) и Усть-Кара (25 км) на Полярном Урале, Менсон (35 км) в штате Айова в США, Каменка (25 км) и Гусевка (1 км) в Донбассе. Распространена точка зрения, что именно падение крупного астероида явилась причиной резкого изменения видового состава биосферы в конце мелового периода⁹. Имеются серьезные основания считать, что многие важные поворотные пункты в эволюции биосферы могли быть обусловлены данным космическим фактором.

Абсолютное перенаселение Земли и относительное демографическое переуплотнение в отдельных регионах являются, очевидно, наиболее сложной проблемой, стоящей перед человечеством, и ее разрешение требует, как минимум, 3–4 человеческих поколений (см. § 6.1). Быстрый рост численности населения происходит прежде всего за счет стран третьего мира, что еще больше обостряет проблемы, связанные с неравномерным развитием регионов на Земле.

Увеличение амплитуды колебаний различных геофизических параметров является характерной особенностью современного этапа состояния глобальной геосистемы Земли, что в немалой степени может быть связано с антропогенным воздействием. Увеличивается число и частота экстремальных ситуаций. Этим обусловлены привычные нам слова в средствах массовой информации: “...самая высокая (низкая) температура за последние 30, 50, 70 лет, такой засухи не наблюдалось 100 лет и т.п.”.