Тема 1. Методология оценки риска как основа принятия решений в

экологической сфере. Идентификация опасностей. Окружающая среда как система.

1.2. Методология оценки риска как основа принятия решений при прогнозировании возможного опасного развития ситуаций

1.3. Идентификация опасностей: классификации источников опасных воздействий, определение возможных ущербов от них

1.6. Причины устойчивости живого вещества биосферы

Ключевыми понятиями курса являются понятия экологической безопасности и экологического риска. Они и будут рассмотрены ниже.

В соответствии с законом РФ «О безопасности» (1992), безопасность – это состояние защищенности жизненно-важных интересов личности, общества и государства от внешних и внутренних угроз.

Экологическая безопасность – устойчивое состояние ОС, обеспечивающее возможность улучшения качества жизни людей, защищенность от природных и техногенных катастроф, возможность стабильного прогресса общества и государства.

Вообще понятие риска - фундаментальное понятие как в математической экономике и статистике, теории принятия решений, в военном деле, в страховом деле, отождествляемое с понятием ненадежности, неуверенности.

Международной комиссией по радиологической защите введены понятия риска чрезмерного, предельно допустимого и приемлемого. Постулируется невозможность достижения «нулевого риска» или «абсолютной безопасности». Этим признается отсутствие абсолютно безопасных технологий, производств, видов хозяйственной и иной деятельности и необходимости перехода к приемлемым уровням потенциальной опасности.

Федеральным законом «О радиационной безопасности населения» закреплены понятия риск возможного вреда и приемлемость риска: не допустимы те виды деятельности по использованию источников ионизирующего излучения, при осуществлении которых полученная польза не превышает риск возможного вреда, причиненного дополнительным к естественному радиационному фону облучения.

Федеральным законом «О промышленной безопасности опасных производственных объектов» введено понятие «риск аварии и связанной с нею угрозы».

Таким образом, юридически закрепляется постулат о необходимости оценки и управления риском при организации техногенной деятельности.

В связи с чем возникает понятие экологический риск - соотношение величины возможного ущерба при воздействии экологического фактора (в заданной интенсивности) и вероятности реализации этого воздействия.

Экологический риск - не единственный и во многих случаях не главный вид риска для жизни, здоровья и благосостояния людей, поэтому он должен быть соизмерен с другими видами социального риска. И быть подвергнут оценке.

Оценка экологического риска - это научное исследование, в котором факты и научный прогноз используются для оценки потенциально вредного воздействия на окружающую среду различных загрязняющих веществ и других агентов.

Статистическая информация об уровнях риска, обусловленных хроническим загрязнением окружающей среды, чрезвычайно разнородна и противоречива. В экологии и экопатологии применяются так называемые стресс-индексы для различных неблагоприятных воздействий факторов среды, которые по своему функциональному смыслу пропорциональны значениям экологического риска (табл. 1). Пестициды, тяжелые металлы и отходы АЭС занимают в этом списке первые места.

Таблица 1

Стресс-индексы для различных групп загрязнителей

Наименование загрязнителя

Стресс-индекс

Пестициды

Тяжелые металлы

Транспортируемые отходы АЭС

Твердые токсичные отходы промышленности.

Взвешенные материалы в стоках металлургии

Неочищенные смешанные сточные воды

Диоксид серы в воздухе

Разливы нефти на почве

Химические удобрения

Органические бытовые отходы

Окислы азота в воздухе

Смешанный городской мусор

Фотохимические оксиданты

Летучие углеводороды в воздухе

Городской шум

Окись углерода в воздухе

140

135

120

Обычно при оценке риска его характеризуют двумя величинами - вероятностью события W и последствиями X, которые в выражении математического ожидания выступают как сомножители:

R=W∙X

По отношению к источникам оценка риска предусматривает разграничение нормального режима работы и аварийных ситуаций:

R = R_н + R_a_в= W_н X_н+ W_a_вХ_ав,

причем Х_ав » Х_н, но W_a_в « W_н <1.

Для таких объектов, как ТЭС, главной компонентой риска является Х_н, для АЭС - W_a_вX_a_в.

Объективные и субъективные оценки риска по отношению ко многим неблагоприятным воздействиям заметно расходятся. Так, если в ранжированном перечне объективных причин смерти в США в 1986 г. первые места занимали курение и алкоголь, то в субъективных оценках представителей разных кругов общественного мнения им отводились места с 3-го по 7-е. Электротравмы, занимая пятое место, ставились людьми на 18-19-е места. Зато атомная энергия, находясь среди объективных причин смерти на 20-м месте, в представлении большинства опрошенных заняла первое место (год Чернобыля!).

Подобные расхождения нельзя приписывать только невежеству людей.

Специалистам приходится часто сталкиваться со стойкими общественными предубеждениями, которые способны оказывать серьезное влияние на экономическую политику и систему принятия решений. Это явление включает и феномен экофобии - навязчивой боязни поражения опасными факторами окружающей среды. Чаще всего она проявляется в виде радиофобии и хемофобии. После Хиросимы и Чернобыля в сознании многих людей вероятность болезни и смерти от радиации стала «весить» несравненно больше, чем смерть от промышленных и транспортных аварий, от пьянства и драк, ударов электрическим током и «кухонных» пожаров, хотя любая из этих причин убивает людей в сотни и тысячи раз больше, чем радиация. Люди невольно преувеличивают опасность факторов, которые не поддаются индивидуальному психологическому контролю.

От экофобий нельзя отмахиваться, как это до сих пор делают представители заинтересованных ведомств, считая их «психозами мнительных невежд». Радиофобия и хемофобия стали закономерными проявлениями экологического стресса современного общества. Даже при очень малых дозах радиации, аллергенного раздражения или вообще при чисто кажущемся поражении они могут приводить у некоторых людей к вполне определенным психогенным клиническим эффектам и стойким психосоматическим заболеваниям, за которые общество должно нести такую же ответственность, как и за прямое радиационное или химическое поражение. А знание и понимание источников и уровней опасности значительно снижает психологический стресс.

Следует напомнить, что химическое загрязнение экосферы сейчас более значительно и опасно, чем радиационное. Поэтому проблемы приемлемого риска и управления риском стоят чрезвычайно остро.

1.3. Идентификация опасностей: классификации источников опасных воздействий, определение возможных ущербов от них

Для понимания и анализа условий обеспечения экологической безопасности принципиально важное значение имеет понимание ключевых понятий в этой сфере.

Опасность - ситуация, способная в определенных условиях привести к возникновению опасных факторов, под воздействием которых могут наступить неблагоприятные события и процессы (природные катастрофы или бедствия, аварии, экономические или социальные кризисы и т. д.), то есть оказывается негативное воздействие на природные объекты и население.

Опасность - это способность причинить какой-нибудь вред, угроза жизни и здоровью человека, иным его ценностям. Разделяют источники техногенной и экологической опасности.

Источник техногенной опасности - виды деятельности (промышленная, оборонная), способные привести к возникновению факторов опасности в экологической сфере, или предприятие, организация, учреждение, осуществляющие соответствующий вид деятельности.

Существенными являются взаимозависимые и комплексные воздействия на окружающую среду и возникающие при этом синергетические и кумулятивные эффекты.

Например, авария на промышленном предприятии может привести к прямому действию поражающих факторов на население, природные объекты, на другие предприятия. Физико-химические характеристики природного объекта могут быть изменены, что приведет к возникновению «самостоятельного» источника экологической опасности. В результате предприятие может оказаться под воздействием факторов, обусловленных совместным воздействием источников техногенной и экологической опасности.

Источники экологической опасности могут быть обусловлены негативным воздействием на природные объекты в процессе длительной, правомерно осуществляемой промышленно-хозяйственной, оборонной и иных видов деятельности.

Так, производственным объединением «Маяк» накоплено в естественном бессточном водоеме Карачай более 120 млн Кюри активности долгоживущих радионуклидов. Есть намерение засыпать водоем и тем самым решить проблему захоронения жидких радиоактивных отходов. Но предлагаемая мера может привести к крайне неблагоприятным экологическим последствиям, связанным с проникновением радионуклидов из донных отложений озера в подземные воды и попаданием их в источники питьевого и хозяйственного водоснабжения. Загрязнение подземных вод и грунтов уже происходит на площади около 30 км² территории объединения «Маяк».

Природно-техногенные катастрофы характеризуются исключительно высокими градиентами усиления факторов, поражающих население и окружающую среду в моменты их возникновения и развития. Периоды прямого воздействия поражающих факторов могут измеряться долями секунд и часами, а их негативные последствия могут проявляться сотни и тысячи лет.

Важнейшей особенностью угроз катастроф в природно-техногенной сфере является невозможность их полного предотвращения и обеспечения гарантированной безопасности с нулевым риском. Природно-техногенные катастрофы не имеют национальных и государственных границ в силу трансграничного характера переносов поражающих факторов.

В России в последние годы по данным ежегодных государственных докладов МЧС РФ имело место более 1300-1500 чрезвычайных ситуаций, из них около 70-75% техногенного и 25-30% - природного характера. Анализ основных угроз в природно-техногенной сфере России, имеющих непосредственное отношение к ее национальной безопасности, показывает, что их структура весьма неоднородна. По степени опасности объекты и технические системы предлагается разделить на следующие группы:

• оружие массового поражения (ядерное, химическое, бактериологическое) и объекты оборонного комплекса;

• объекты ядерной энергетики, ядерного цикла и атомные реакторы - стационарные энергетические, транспортные, исследовательские, технологические комплексы;

• ракетно-космические комплексы;

• нефтегазовые комплексы;

• химические и биотехнологические комплексы с большими запасами опасных веществ;

• объекты энергетики;

• производственные установки и транспортирующие комплексы и металлургические комплексы;

• объекты транспортных комплексов (наземные, надводные, подводные, воздушные) и магистральные газо-, нефте-, продуктопроводы;

• уникальные инженерные сооружения (мосты, плотины, галереи, стадионы);

• горнодобывающие комплексы и крупные объекты гражданского строительства и промышленности;

• системы связи, управления и оповещения.

Аварийные и катастрофические ситуации в техногенной сфере по степени и возможности их реализуемости на потенциально опасных объектах можно объединить по следующим типам:

• режимные (возникают при штатном функционировании потенциально опасных объектов, последствия от них предсказуемые, защищенность от них высокая);

• проектные (возникают при выходе за пределы штатных режимов с предсказуемыми и приемлемыми последствиями, защищенность от них достаточная);

• запроектные (возникают при необратимых повреждениях важных элементов с высоким ущербом и жертвами; степень защищенности от них недостаточная, с необходимостью проведения восстановительных работ);

• гипотетические (могут возникать при вариантах, не предсказанных заранее и сценариях развития с максимально возможными ущербом и жертвами; защищенность от них низкая, прямому восстановлению объекты не подлежат).

При техногенных авариях и катастрофах возникают как отдельные, так и комбинированные поражающие факторы: радиационное излучение, отравление химически опасными веществами, бактериологическое заражение, взрывные и ударные волны, тепловое излучение, механическое повреждение, импульсные ускорения, электромагнитные нагрузки, осколочные поражения. Эти поражающие факторы воздействуют на людей, объекты и окружающую среду.

Н.Ф. Реймерсом сделан принципиальный вывод о том, что «...наступил момент, когда на человека воздействует ... измененная человеком природа. Это - экологическая опасность. Эта опасность тем реальнее, чем выше технико-экономический потенциал и численность человечества».

Источники экологической опасности - это загрязненные природные объекты и объекты с измененными физико-химическими характеристиками (вследствие природных явлений и стихийных бедствий; техногенных аварий и катастроф, длительной хозяйственной деятельности), способные привести к возникновению факторов опасности. Одна из причин их возникновения - техногенная деятельность.

1.4. Концепция биосферы

Первоначальные представления о биосфере как формирующейся общности живых организмов на земном шаре складывались в науках о Земле и связаны с именами Ж.-Б. Ламарка («Гидрогеология» (1802), впервые ввел в круг геологических факторов совокупное влияние живых организмов планеты, их «силу). Это было первым приближением к синтетическому понятию о биосфере, но Ламарк не предложил для него никакого термина. Термин «биосфера» ввел австрийский геолог Э. Зюсс. В книге «Происхождение Альп» (1873), а затем и в фундаментальном труде «Лик Земли» (1909) он пишет о «самостоятельной биосфере» как особой оболочке Земли, образованной живыми организмами. Развернутое учение о биосфере принадлежит В.И. Вернадскому. В книге «Биосфера» (1926) и последующих работах Вернадский вложил в понятие биосферы новое пространственное содержание («область распространения жизни») и приписал биосфере мощную преобразующую геологическую и геохимическую функцию.

История формирования взглядов на биосферу в среде представителей различных естественных наук наложила отпечаток определенного дуализма на понимание этой важнейшей природной системы в зависимости от их воззрений: актуалистического или геоисторического. Для первых биосфера - некая естественная данность: современный живой покров суши и вод с установившимися свойствами саморегуляции и устойчивости. Для вторых - это длительное время развивавшаяся открытая система взаимодействующих биотических и абиотических факторов геосфер и космоса, в ходе эволюции которых сформировались и многократно перестраивались механизмы саморегуляции и устойчивости.

Биосфера - это глобальная экосистема, активная «оболочка» Земли, состав, структура и энергетика которой определяется и контролируется планетарной совокупностью живых организмов - биотой биосферы.

Возраст биосферы как целостной планетарной системы, участвующей в формировании облика Земли, оценивается в 1 млрд лет, хотя живые структуры появились на Земле намного раньше. А в масштабах, близких к современным, по общей биомассе и продуктивности, разнообразию форм, представительству крупных таксонов биосфера (назовем ее «зрелой» биосферой) существует по меньшей мере 180 млн лет, начиная с юрского периода. За это время в процессе биологической эволюции через жесткий естественный отбор пропущено на два порядка большее число видов организмов - микробов, грибов, растений и животных.

По сравнению с массой других геосфер Земли - верхней литосферы, гидросферы и атмосферы - масса всего живого на планете ничтожна. Однако благодаря интенсивному обмену веществ обитатели биосферы за указанный срок тысячекратно (в пределах 10³-10⁴) пропустили через себя, через свои клетки, ткани, органы, кровь всю земную атмосферу, весь объем Мирового океана, большую часть почв, гигантскую массу минеральных и органических веществ, колоссальное количество энергии. И не только «пропустили», но и, влияя на состав этих субстанций, видоизменили облик и химизм планеты, создав, по существу, всю земную среду. Именно на этом основано суждение В.И. Вернадского (1926, 1965) об огромной преобразующей геологической роли живого вещества биосферы.

Древние микроорганизмы, растения и животные участвовали в создании мощных запасов ископаемых топлив, толщ известняков, фосфоритов, скоплений серы, некоторых руд и глинистых пород, содержащих железо, алюминий, марганец и другие металлы. Биогенная миграция веществ во многом определила формирование ландшафтов и природных зон. Фотосинтез обусловил современный состав атмосферы, от которого зависят окислительно-восстановительное равновесие среды, радиационный и тепловой режим на планете, спектральный состав достигающего поверхности Земли солнечного света. Растительный покров существенно определяет водный баланс, распределение влаги и климатические особенности больших пространств. Живые организмы играют ведущую роль в самоочищении воздуха, океана, рек и озер, от них во многом зависит солевой состав природных вод и распределение многих химических веществ между сушей и океаном. Благодаря растениям, животным и микроорганизмам создается почва и поддерживается ее плодородие.

Таким образом, совокупность живых организмов - биота биосферы - обладает мощной средообразующей и средорегулирующей функцией. Ее работа направлена на обеспечение условий жизни всех ее членов, в том числе и человека. Она слагается из газовой, концентрационной, биохимической, окислительно-восстановительной и информационной функций совокупности живых организмов. Все вместе они осуществляют глобальный биотический круговорот биогенных элементов и соответствующий ему биогенный энергетический цикл. Следует понимать, что окружающая нас среда - это не возникшая когда-то и непреходящая физическая данность, а живое дыхание природы, каждое мгновение возобновляемое работой множества живых существ.

Вернадский (1926) считал, что «пределы биосферы обусловлены прежде всего полем существования жизни», определил биосферу как «организованную, определенную оболочку земной коры, сопряженную с жизнью» (1934), и сделал фундаментальное заключение, что «биосфера геологически вечна» (1965). Согласно Вернадскому, биосферу слагают четыре категории субстанций:

- живое вещество - совокупность всех живых организмов - микроорганизмов, грибов, растений и животных, их активная биомасса;

- биогенное вещество - различные формы мертвой органики, детрит, торф, уголь, нефть и газ биогенного происхождения, а также осадочные карбонаты, фосфориты и т.д.;

- биокосное вещество - смеси живого вещества и биогенных веществ с минеральными породами абиогенного происхождения (почва, илы, природные воды, газогидраты, нефтеносные сланцы, битуминозные пески, часть осадочных пород; с определенными оговорками к этой категории может быть отнесен и атмосферный воздух);

- косное вещество - горные породы, минералы, никак не связанные с деятельностью живых организмов (изверженные и метаморфические породы земной коры, магматические руды, продукты их абиогенного преобразования и т.д.).

Масса мало преобразованной мертвой органики - детрита в почве и донных отложениях (гумус, сапропель, торф, лесная подстилка, мертвые растения и животные, растворенная органика) - в несколько раз превышает массу живого вещества.

Современные теоретические подходы вносят поправку в представления о структуре и функциях биосферы. Дело в том, что значительная часть биогенных и биокосных веществ, заключенных в глубоких недрах (уголь, нефть, нефтеносные сланцы и др.), фактически выведена из текущего естественного биотического круговорота, хотя некоторое их количество искусственно вводится человеком в пространство биосферы. Поэтому, строго говоря, они не относятся к биосфере как таковой; ей присущи только те вещества и процессы, те элементы и характеристики, которые находятся под контролем современной глобальной биоты, но не компоненты природы, сложившиеся и захороненные в геологическом прошлом. Тем более, к биосфере не следует относить косное вещество.

По сравнению с другими геосферами биосфера не представляет собой сплошную среду с четкими границами. Для иллюстрации «всюдности жизни» (выражение Вернадского) и мощности биосферы обычно ее изображают в виде вертикального «разреза», включающего все слои распространения живых организмов - от глубоких недр и дна океана до верхней стратосферы, причем обозначаются соответствующие подразделения биосферы и указывается толщина ее слоя (от -10 до 100 км)

Однако следует подчеркнуть, что активное функционирование и продуктивность современной биосферы почти целиком (более чем на 98%) сосредоточены в относительно тонком поверхностном (околопочвенном) слое суши (условно от кончиков корней до верхушек деревьев) и в фотическом (хорошо освещаемом солнцем) слое гидросферы.

Если всю массу биоты, считая ее физическую плотность равной 0,85 г/см³ (плотность сырой древесины), равномерно распределить по поверхности планеты, то получится слой толщиной в 1,1 см.

Таким образом, к современной биосфере относится вся совокупность живых организмов и все вещества литосферы, гидросферы и атмосферы, которые в настоящее время участвуют в природном биотическом круговороте, т.е. находятся под контролем потребления, трансформации и продуцирования живыми организмами. Тесная функциональная связь биосистем разных уровней превращает биосферу в глубоко интегрированную и саморегулируемую глобальную систему, обладающую собственным гомеостазом и осуществляющую биотическую регуляцию окружающей организмы (в том числе и человека) среды.

1.5. Функции биосферы Земли

Основные функции биосферы Земли следующие:

1. Связывание диоксида углерода, выделяемого живыми организмами и образующегося в ходе различных превращений в неживой природе (например, сжигание топлива), и выделение кислорода в ходе фотосинтеза наземными и водными растениями. Так, зеленая масса насаждений на площади 1 га производит до 70 т кислорода за вегетационный период.

В результате процесса фотосинтеза образуются углеводы, которые являются исходным материалом для формирования растений:

6СО₂ + 6Н₂О → С₆Н₁₂О₆ + 6О₂

Таким образом, фотосинтез является первичным источником всей биомассы планеты, в том числе органических ископаемых.

2. Аккумуляция и трансформация солнечной энергии.

Наземная и водная растительность планеты аккумулирует в течение 1 года 3∙10²¹ калорий энергии Солнца. Это примерно в 100 раз больше вырабатываемой во всем мире энергии. При этом связывается 35 млрд тонн углерода, фиксируется, т. е. превращается в усвояемое состояние 44 млрд тонн азота; выделяется несколько десятков млрд. тонн кислорода и производится другая химическая работа, обусловливающая современное состояние природы Земли.

3. Обеспечение веществами и энергией животных и человека. Трава, деревья, водоросли и другие формы растительной жизни продуцируют пищу из воды и диоксида углерода, содержащегося в тропосфере. Биосфера всегда была и остается жизненной средой обитания человека. Ее основные компоненты - климат, почвы, вода, минеральные вещества, растительный покров, животные - стали теми ресурсами, которые он использует для своей жизнедеятельности.

4. Перевод в простые химические вещества огромной (около 10% биомассы) массы непрерывно образующихся трупов организмов и их выделений. Диоксид углерода и вода - основные продукты происходящего процесса вновь вовлекаются в фотосинтез.

3. Образование и восстановление почв.

4. Очищение атмосферы и воды от загрязнений.

5. Перемещение по планете (суша, моря, реки) огромных масс разнообразных химических элементов и веществ.

6. Участие в образовании горных пород (известняк, мел и т. д.), а также органических ископаемых (каменный уголь, нефть и т. д.).

Биосфера с термодинамической точки зрения может рассматриваться как открытая система, в которой имеет место возрастание энтропии за счет процессов, протекающих внутри системы. С точки зрения теории эволюции органического мира, она постоянно обменивается веществом, энергией и информацией по внешним связям. Биосфера как глобальная экосистема имеет способность к самоорганизации.

1.6. Причины устойчивости живого вещества биосферы

Уникальность нашей планеты состоит в том, что на ней есть жизнь, которая пронизывает не только водную и воздушную сферы, но и часть земной толщи. Что же позволяет жизни во всех ее формах и проявлениях быть достаточно устойчивой во времени и пространстве? В попытке ответить на этот весьма сложный вопрос следует учесть, что жизнь в значительно большей степени есть явление космическое, нежели земное.

Магнитное поле Земли. Подсчитано, что каждую секунду на площадку в 1 м² через границу атмосферы из Космоса в направлении земной поверхности влетают более 10 тысяч заряженных частиц со скоростями, близкими к световой. Характеризуясь огромной энергией, космическое излучение способно за относительно короткий срок разложить на ионы и электроны весь воздух атмосферы, а следовательно, уничтожить жизнь на планете. Однако этого, к счастью, не происходит. Дело в том, что Земля представляет собой своеобразный магнит, его силовые линии окружают земной шар и образуют вокруг него магнитосферу, которая защищает живые организмы от солнечного ветра. Однако некоторые частицы солнечной плазмы с высокой энергией могут проникать сквозь радиационные пояса и даже достигать биосферы.

Итак, магнитное поле есть важнейший защитник жизни на Земле, без которого она не смогла бы зародиться в прошлом, не смогла бы сохраниться в настоящем. Но наряду с этим есть и другие факторы стабильности, порожденные самим живым веществом биосферы.

Озоновый слой биосферы. Важнейшим фактором возникновения и развития биосферы стало создание автотрофными организмами кислородной среды на стыке трех оболочек Земли: литосферы, гидросферы и атмосферы. Наполнение атмосферы кислородом способствовало и появлению в ней озона, образование которого связано с реакцией фотодиссоциации поступающего туда молекулярного кислорода под воздействием ультрафиолетового излучения Солнца с длиной волны менее 200 нм.

Основное количество озона сосредоточено в стратосфере на высотах 15-25 км (верхняя граница его распространения - до 45 км), где он образует озоновый слой, или озоносферу. Основная масса озона образуется в экваториальной зоне и распространяется затем атмосферными движениями к полюсам непосредственно. У поверхности Земли озон появляется только во время грозовых разрядов. Общее количество озона оценивается в 3,3 млрд т, 85-90% находится в стратосфере, а остальное - в тропосфере.

Расчеты показали, что если все содержащиеся в атмосфере молекулы озона равномерно распределить над поверхностью Земли, то толщина образовавшейся оболочки составит лишь около 3 мм для среднегодовых среднеглобальных условий (т. е. при температуре у поверхности Земли 15°С и давлении 1 атм). Для сравнения: толщина слоя, образованного всеми газами земной атмосферы при тех же условиях, составит примерно 8 км.

Несмотря на крайне низкое количественное содержание, этот газ имел и продолжает иметь неоценимое эколого-биологическое значение, так как слой озона практически полностью поглощает поток коротковолновых УФ-лучей Солнца с длиной волны 200-280 нм и около 90% ультрафиолетового излучения с длиной волны 280-320 нм. Таким образом, озоновый слой является охранным шитом от жесткого, короче 280 нм, УФ-излучения, крайне опасного для всего живого на планете. Если общее содержание озона сократится всего лишь на 10-20%, то на каждый процент такого сокращения придется приблизительно 2%-ное увеличение потока УФ-излучения.

Возникновение озонового экрана, отгородившего поверхность Земли от пронизывающей космическое пространство химически активной радиации, резко изменило ход эволюции живого вещества. Время биосферы - это время сохранения и совершенствования лучшего из достигнутого, в чем и сыграл огромную роль порожденный живым веществом планеты озон.

Высокое разнообразие организмов в биосфере. Биосфера рассматривается как огромная, чрезвычайно сложная экосистема, функционирующая в стационарном режиме на основе тонкой регуляции всех составляющих ее частей и процессов. Так, климат определяет общий характер выветривания земной коры, формирования рельефа и почвообразования, типы растительного покрова и животного населения. Геологические условия (включая и гидрогеологические) конкретизируют характер всех перечисленных выше явлений. Почвы непосредственно и сильно воздействуют на растительность и почвенную фауну, косвенно (через растительность) - на других животных. Растения участвуют, в свою очередь, в почвообразовании, изменяют микроклимат, но также существенно влияют друг на друга и на условия существования животных. Последние незначительно воздействуют на микрорельеф, влияют на некоторые стороны почвообразования (кроты, дождевые черви), определяют возможность существования тех растений, у которых они опыляют цветы или разносят плоды, одновременно сильно влияют друг на друга. Иными словами, в биосфере все связано со всем и все нужны всем.

Устойчивость биосферы в значительной степени основывается на высоком видовом разнообразии живых организмов, отдельные группы которых выполняют различные функции в поддержании общего потока вещества и распределения энергии, на теснейшем переплетении и взаимосвязи биогенных и абиогенных процессов. В биосфере действуют сложные системы обратных связей и зависимостей.

Редуцентное звено биосферы. Важнейшим свойством любой экосистемы, а следовательно, и экосистемы высшего уровня, т. е. биосферы, является участие ее живых компонентов в разложении остатков растительной биомассы. Их разложение и последующая минерализация (превращение в относительно простые неорганические вещества) - необходимые условия нормального хода биопродукционного процесса. В результате высвобождаются химические элементы, которые были связаны в растительной органике, благодаря чему они вновь вовлекаются в круговорот веществ, предотвращая истощение ресурсов питания растений, а подчас и способствуя их восстановлению.

Следует отметить, что разложение (деструкция) является процессом, в котором участвует вся биота совместно с абиотическими факторами, он протекает благодаря взаимосвязи и взаимозависимости всех звеньев пищевой цепи. При этом между ними, от первого к последнему звену цепи, происходит передача вещества и энергии. Без этого крайне необходимого для функционирования живых систем процесса все питательные вещества оказались бы связанными в мертвых телах, и дальнейшее развитие живых существ было бы невозможно. Достаточно сказать, что более 90% энергетических запасов веществ, которые содержатся в телах растений и животных, потребляются после их отмирания.

В процессе разложения участвуют (одновременно или поочередно) многочисленные беспозвоночные животные, грибы, бактерии, которые составляют вместе редуцентное звено глобальной экосистемы. В частности, грибы осуществляют деструкцию клеточных оболочек растений; мелкие животные измельчают и при этом частично разрушают растительные и животные остатки. Окончательное разложение до исходных веществ (воды, Диоксида углерода и др.) преимущественно осуществляют редуценты - бактерии.

Во многих почвах распространены дождевые черви, количество которых может достигать под пашнями 250 тыс., а под сенокосом 2- 5,6 млн штук/га при массе соответственно 50-140 и 2 тыс. кг. Черви ежегодно пропускают через свой пищеварительный тракт до 85 т/га органического вещества, которое в переработанном виде служит исходным продуктом для образования гумуса.

Вышеуказанные примеры говорят о той громадной, хотя и незаметной для человека деятельности, которую осуществляют живые организмы-деструкторы. Ученые подсчитали: при потере биосферой только микроорганизмов-деструкторов всего за 10 лет на Земле скопилось бы такое количество отбросов, что жизнь стала бы невозможной.

Итак, биосфера теснейшим образом связана с Космосом. Потоки космической энергии создают на Земле условия, обеспечивающие жизнь. При этом находящиеся за пределами биосферы магнитное поле Земли, возникшее задолго до появления жизни, а также озоновый экран, являющийся порождением живого вещества планеты, защищают жизнь на ней от губительного космического излучения и интенсивной солнечной радиации. С другой стороны, находясь, образно говоря, между молотом и наковальней (снаружи - враждебный Космос, внутри Земли - огромное раскаленное ядро), жизнь активно ищет пути поддержания своего существования и развития. Отсюда следует вывод: стабильное состояние биосферы обусловлено в первую очередь деятельностью самого живого вещества, обеспечивающей определенную скорость фиксации солнечной энергии и биогенной миграции атомов.

Жизнь на планете Земля сама стабилизирует и, согласно В.И. Вернадскому, «как бы сама создает себе область жизни». Это закладывает основу для длительного ее развития.

1.7. Пределы устойчивости биосферы

Стабильность биосферы имеет определенные пределы, и нарушение ее регуляторных возможностей чревато серьезными последствиями. На это, в частности, указывает правило одного процента: изменение энергетики природной системы в среднем на 1% выводит последнюю из состояния гомеостаза (равновесия).

Данное правило подтверждается исследованиями в области глобальной климатологии и других геофизических, а также биофизических процессов. Так, все крупные природные явления на поверхности Земли (извержения вулканов, мощные циклоны, процесс глобального фотосинтеза и т. п.), как правило, имеют суммарную энергию, не превышающую 1% энергии солнечного излучения, попадающего на поверхность Земли. Переход энергетики процесса за это значение обычно приводит к резким аномалиям - климатическим отклонениям, переменам в характере растительности, крупным лесным и степным пожарам.

Все это следует учитывать при планировании отдельных видов хозяйственной деятельности глобального масштаба.

Большой вклад в представления о пределах допустимого воздействия на биосферу вносит теория биотической регуляции, которая разработана российским ученым В.Г. Горшковым. На основании расчетов ряда параметров, характеризующих биохимические круговороты (воды, углерода, азота и др.) биологических показателей, автор пришел к выводу о том, что биота - система живых организмов Земли - с момента своего возникновения не только адаптировалась к окружающей среде, но и оказывала на нее мощное формирующее влияние. В результате сформировалась биосфера, причем путем надлежащей подстройки потоков биогенов обеспечивалась высокая точность регулирования параметров, существенных для биоты, в достаточно большом, но не бесконечном диапазоне вариаций возмущений. В число таких параметров входят климат, атмосфера, почва, поверхностные воды суши и воды Мирового океана.

Из биотической концепции следует, что именно биота контролирует химический состав окружающей среды. Круговорот веществ в целом («физический круговорот»), по-видимому, не может быть устойчивым при отсутствии жизни. Контроль обеспечивается за счет компенсации разомкнутости биогеохимических циклов. Это происходит путем связывания избытка неорганических веществ в органические вследствие превышения скорости синтеза над разложением и противоположного процесса - пополнения недостатка неорганических веществ за счет разложения органики с превышением скорости разложения над синтезом.

Регулирующая роль биоты обеспечивается весьма устойчивой внутренней структурой, которая может быть описана параметрами биомассы, потоков энергии и биогенов для разных групп живых организмов. В.Г. Горшков называет это законами устойчивости биосферы.

Здесь уместно привести принцип Ле Шателье-Брауна: при внешнем воздействии, выводящем экологическую систему из состояния устойчивого равновесия, равновесие смещается в том направлении, при котором эффект внешнего воздействия ослабляется.

Согласно указанному принципу, который характеризует устойчивость любой системы, скорость поглощения углерода биотой должна быть пропорциональна приросту концентрации углерода в окружающей среде по отношению к исходному (доиндустриальному) состоянию.

В XIX столетии биота суши еще подчинялась этому принципу, эффективно компенсировала воздействия, и проблемы загрязнения и устойчивости не возникало. В начале XX века биота суши перестала справляться с излишком углерода из атмосферы и, более того, сама стала выбрасывать углерод, увеличивая, а не уменьшая загрязнение окружающей среды. Это указывает на то, что функция биоты в глобальном масштабе сейчас нарушилась.

Современные глобальные изменения являются следствием, в первую очередь, компенсационных механизмов биоты, происходящих в результате превышения допустимого предела возмущения биоты хозяйственной деятельностью человека. Расчеты позволили определить порог устойчивости (допустимого возмущения) биосферы: биота сохраняет способность контролировать условия окружающей среды, если человек в ходе своей деятельности использует не более 1 % чистой первичной продукции биоты. Остальная часть продукции должна распределяться между видами, выполняющими функции стабилизации окружающей среды. Таким образом, коэффициент полезного действия биоты, с точки зрения человека, составляет всего 1%, тогда как 99% идет на поддержание устойчивости биосферы. Подсчитано, что если уровень современного возмущения биоты снизить на порядок, то все негативные глобальные изменения остановятся и она вернется в первоначальное невозмущенное состояние. Условием сохранения и поддержания высокой способности биоты к адаптации является богатое видовое разнообразие.

Ценность теории биотического регулирования определяется тем, что она позволила определить порог устойчивости биосферы и подойти к количественной характеристике пределов устойчивости, превышение которых нарушает устойчивость биоты и среды ее обитания. Согласно биосферной концепции, порог допустимого воздействия уже превышен человечеством. Поэтому главные усилия должны быть сосредоточены на сохранении живого вещества биосферы - основного фактора глобальной экологической безопасности («хочешь жить - дай жить другим»). Центрами восстановления естественных сообществ организмов, необходимых для обеспечения устойчивости окружающей среды, могут стать сохранившиеся ненарушенные экосистемы и территории. Согласно расчетам, для стабилизации глобальных изменений (прежде всего выброса углерода) необходимо сократить площади нарушенных земель с 61% в настоящее время до 38% (Горшков).