Тема 3. Техногенные системы и их воздействие на человека и
окружающую
среду
3.1. Техногенные системы: определение и классификация
3.2. Проблема техногенного загрязнения
3.1. Техногенные системы: определение и
классификация
Современная биосфера находится
под массированным антропогенным воздействием. Это воздействие осуществлялось на
протяжении значительной части человеческой истории, но в течение последних двух
столетий (эпоха индустриальной цивилизации) многократно усилилось и привело к
существенным количественным и качественным изменениям биосферы. Человеческая цивилизация обусловила появление на планете новой
глобальной материальной системы в виде многослойной насыщенной сферы искусственно созданных объектов. Люди
активно расширяют свою экологическую нишу, создавая техносферу
- глобальную совокупность продуктов технической цивилизации.
В
Техносфера - это планетарное пространство,
находящееся под воздействием инструментальной и технической производственной
деятельности людей и занятое продуктами этой деятельности.
Техносфера возникла в процессе нескольких
тысячелетий техногенеза. К ней в равной мере
относятся и первый костер, зажженный человеком, и Чернобыль, дротик
первобытного охотника и баллистические ракеты, египетские пирамиды и небоскребы
Манхэттена, оросительные каналы шумеров и Асуанская
плотина, идолы острова Пасхи и статуя Свободы в Нью-Йорке.
Техносфера представляет собой совокупность
искусственных объектов, созданных целенаправленной деятельностью человека, и
природных объектов, измененных этой деятельностью.
Совокупность
инженерно-технических процессов в земной коре, гидросфере, атмосфере и ближнем
Космосе, научных и технических достижений, позволяющих человеку использовать
природные ресурсы и изменять состояние среды жизни, а также перестройка биосферы
и создание новой планетной оболочки (техносферы), где
господствует человечество как геологическая сила, т. е. все, что связано с
производственной деятельностью человека, называют техногенезом. Созданные в процессе техногенеза или возникшие как его побочный результат
искусственные (техногенные) вещества, включая вышедшую из строя технику,
оказывающие определенные воздействия на среду обитания организмов, называют техногенной продукцией.
Техногенез выступает как материальное слагаемое
истории человечества. С экологической точки зрения это последний по времени этап эволюции, обусловленный деятельностью
человека и вносящий в природу Земли вещества, силы и процессы, которые, в
конечном счете, изменяют и нарушают равновесное функционирование биосферы и
замкнутость биотического круговорота.
В «Экологическом
энциклопедическом словаре» техносфера определяется как часть биосферы, разрушенная и
коренным образом преобразованная людьми с помощью прямого или косвенного
воздействия технических и техногенных объектов (здания, дороги, механизмы,
предприятия и т.п.) в целях наилучшего соответствия социально-экономическим (но
не экологическим) потребностям человечества.
Однако называть техносферу частью биосферы можно только в ограниченном
смысле. Действительно, техносферу создал человек -
порождение биосферы. Техносферой занято значительное
пространство, принадлежавшее ранее биоте биосферы.
Человек взял под контроль и, по существу, включил в состав техносферы
несколько сотен видов растений и животных. Однако значительная часть
современной техносферы - это совершенно новое надприрод-ное
образование, генетически не связанное с законами биосферы. В целом техносфера - грандиозный артефакт.
Бондарев подразделяет техносферу на несколько подсистем – субсфер:
•
субсфера
«А» (артефакты) - все продукты и производные
•
человеческого
труда;
• субсфера «Т-1» - все виды топлива;
• субсфера «Т-2» (технолиты)
- элементы техногенного рельефа: карьеры, шахты, каналы, насыпи, плотины и
т.п.;
• субсфера «П» - пища, в том числе непосредственно контролируемые
и используемые человеком растения и животные;
• субсфера «О» - отходы.
Кроме такого деления в
веществе техносферы можно выделить техническое
вещество - активно функционирующую часть средств производства, т.е.
совокупность действующих инструментов, станков, машин, механизмов, аппаратов,
топок, реакторов и т.п. А всю остальную, неактивную массу техносферы
- здания, сооружения, коммуникации, скопления извлеченных пород и отходов
производства и потребления, техногенные эмиссии и т.д. - можно обозначить как техногенное
вещество. Масса техногенного вещества к настоящему времени достигла
колоссальной величины - 8,5 ∙ 1012 т, что почти в 1,5 раза
больше массы биоты биосферы. Хотя техносфера,
несомненно, планетарное явление, техномасса
распределена крайне неравномерно. Почти 90% ее сосредоточено в районах
селитебного и горно-промышленного освоения, занимающих
более 7 млн км2 (5% площади суши). Однако техногенными влияниями -
эмиссиями и потоками веществ, энергии и информации - охвачено практически все
пространство планеты.
Материальный нетто-баланс
человечества как биологического вида (без современного общественного
производства) необычайно велик и во много раз превосходит материальный бюджет
любого другого вида животных, но в целом почти вписывается в глобальный
биотический круговорот и создает лишь
часть современных экологических проблем. Надо помнить также, что человек
контролирует большую массу растений и животных многих видов, которые вне
человеческого хозяйства либо вообще не могли бы существовать, либо вносили бы
незначительный вклад в экосферный обмен веществ.
Наиболее серьезные проблемы связаны с потреблением биоресурсов, энергетикой и
промышленным производством.
Техногенный материальный
круговорот принципиально отличается от биотического круговорота прежде всего
высокой степенью разомкнутости. Поэтому его
правильнее было бы называть не круговоротом, а ресурсным циклом. Можно сказать,
что такой колоссальный механизм создан для обеспечения нетто-потребления людей
ничтожной долей веществ и материалов, участвующих в цикле. По существу, речь
идет всего лишь о 400 млн т в год товаров сверх потребления продуктов питания,
воды и воздуха, или о
Другими словами,
материальная эффективность современной индустриальной цивилизации близка
к нулю.
Ежегодное изъятие около 10 Гт сухого вещества биомассы в виде сельхозпродукции,
древесины и морепродуктов составляет почти 5% продукции фотосинтеза на суше. Но
кроме этого за счет антропогенного уменьшения биомассы и продуктивности
естественных экосистем, замещения их агроценозами,
вырубки лесов, опустынивания, техногенной деградации и т.п. человек косвенно
переводит в антропогенный канал еще 7-10% первичной продукции экосистем суши, в
целом снижая продуктивность земной биосферы примерно на 10-12%. Именно это
расценивается как основное вмешательство человека в природные процессы.
Общая масса отходов
современного человеческого хозяйства и продуктов техносферы
(за исключением простых газообразных веществ, участвующих в обмене кислорода,
азота и паров воды) составляет не менее 140 Гт в год.
Это количество распределяется между водоемами, воздухом и поверхностью земли
приблизительно в соотношении 1:2:6.
Все отрасли техносферы потребляют огромное количество воды - около 5000
км3/год. Оно соответствует почти 1/5 объема влаги, вводимой в
планетарный круговорот транспирацией всех растений суши. Скорость оборота воды
в техносфере во много раз больше, чем в биосфере.
С учетом потребляемого
воздуха и добываемого природного газа техносферный
газообмен составляет более 150 тыс. км3/год, что превышает 1/4
биосферного газообмена. Почти такое же соотношение существует между выделением
техногенной теплоты и годовым протоком энергии фотосинтеза. Таким образом, к
концу XX столетия
человечество на 20-25% увеличило обмен веществ и энергии на планете.
Наиболее серьезно
вмешательство техногенеза в биосферный обмен
органических веществ. По закону распределения деструкции вновь образованного
органического вещества между разными группами гетеротрофных организмов для
крупных консументов допустимо изъятие не более 1%
ежегодной продукции биосферы («правило одного процента»). Человек, ставший
самым мощным в природе конечным консументом, во много
раз, почти на порядок, превысил естественный норматив.
Существенным отличием
техногенного массообмена от биотического круговорота
является то, что техносферный круговорот
веществ существенно разомкнут и в количественном, и в качественном отношении.
Поскольку техногенный массообмен составляет заметную часть глобального
круговорота веществ, своей разомкнутостью он нарушает
необходимую высокую степень замкнутости биотического круговорота, которая
выработана в длительной эволюции и является важнейшим условием стационарного
состояния биосферы. Это означает весьма серьезное нарушение биосферного
равновесия.
3.2. Проблема техногенного загрязнения
Наиболее ощутимым в смысле
воздействия на среду обитания человека и достаточно хорошо изученным можно
считать загрязнение окружающей среды. Оно непосредственно связано с
научно-техническим прогрессом и отражает негативные для природы аспекты этого
прогресса, последствия антропогенной деятельности.
Главная опасность
антропогенного фактора нашего времени - внесение в круговорот веществ,
несвойственных природе, разрывающих замкнутый цикл или искажающих процесс
круговорота веществ. Вредные воздействия могут происходить не только от
введения в круговорот чуждых природе веществ (яды, убивающие редуцентов, вредное воздействие на развитие продуцентов,
разрыв в цепи консументов и т. д.), но и введение в
круговорот энергий, количественно несвойственных природе в целом или
конкретному сезону.
Загрязнение окружающей среды - это любое внесение в ту или иную
экологическую систему не свойственных ей живых или неживых компонентов,
физических или структурных изменений, прерывающих или нарушающих процессы
круговорота и обмена веществ, потоки энергии и информации с непременными
последствиями в форме снижения продуктивности или разрушения данной экосистемы.
Загрязнение можно
рассматривать как более или менее обратимое изъятие какой-либо части окружающей
среды (чистой воды,
чистого воздуха, возделанной земли, продуктов питания, полноценных
биологических сообществ) и в связи с этим лишения какой-то части здоровья и
благополучия людей.
Академик А.В.Сидоренко
указывает три основные причины загрязнения и разрушения окружающей среды и истощения
природных ресурсов в результате антропогенной деятельности: 1) из-за простого
нарушения количественного равновесия между потребностью в природных ресурсах и
фактическим их изъятием из естественного круговорота; 2) из-за чрезмерного
техногенного воздействия на природную среду, превышающего критические пороги
антропогенной нагрузки на данный природный комплекс; 3) из-за игнорирования или
нарушения экологических принципов в извлечении и воспроизводстве природных
ресурсов.
Разнообразные виды вмешательства
человека в естественные процессы в биосфере можно сгруппировать по следующим
категориям загрязнений:
- ингредиентное
загрязнение,
или внесение химических веществ, которые количественно или качественно чужды
естественным системам;
- параметрическое (физическое) загрязнение, связанное с
изменением качественных параметров окружающей среды (к нему относят тепловое,
звуковое, шумовое, радиационное, световое, электромагнитное);
- биоценотическое загрязнение, которое заключается в
воздействии на состав и структуру популяций живых организмов, населяющих
экосистему;
- стациально-деструкционное
загрязнение, представляющее собой изменение ландшафтов и экологических
систем в процессе природопользования, обусловленном интересами человека.
Выбросы в окружающую среду классифицируются
по агрегатному состоянию и по массовому выбросу. По агрегатному состоянию
различают газо- и парообразные, жидкие, твердые и смешанные выбросы, По
массовому выбросу выделяют шесть групп: менее 0,01; 0,01-0,1; 0,1-1,0; 1,0-10;
10-100; свыше 100 т/сутки.
По своему происхождению
промышленные загрязнения могут быть механическими, химическими, физическими и
биологическими.
Механические - пыль в воздухе, твердые частицы и разнообразные предметы в воде
и почве.
Химические - всевозможные газообразные, жидкие и твердые химические
соединения и элементы, попадающие в атмосферу и гидросферу и вступающие
во взаимодействие с окружающей средой.
Биологические - это виды организмов, появившиеся при участии человека и
наносящие вред ему или живой природе.
Источники загрязнений
окружающей среды подразделяются на сосредоточенные
(точечные) и рассредоточенные.
К точечным
относятся дымовые и вентиляционные трубы, шахты и т. п., к рассредоточенным -
фонари цехов, ряды близко расположенных труб, открытые склады и т. п. Источники
загрязнения могут быть также непрерывного
и периодического действия.
Отрицательно влияя на
окружающую среду, загрязнения, в свою очередь, могут подвергаться определенному
воздействию окружающей среды. По этому важному с экологической точки зрения
признаку различают стойкие (неразрушимые)
загрязнения и
разрушаемые под действием природных химико-биологических
процессов.
Загрязнение можно считать
комплексом «помех» в экосистемах, которые воздействуют на потоки вещества, энергии
и информации в пищевых (энергетических) цепях. При этом, в отличие от
естественных, антропогенные «помехи» часто ведут не к отбору наиболее
приспособленных особей, а к массовому вымиранию организмов.
Источники техногенных
эмиссий. Источниками
большей части техногенных эмиссий загрязнений
являются термохимические
процессы в энергетике - сжигание топлива, а также связанные с ним
термические и химические процессы и утечки, определяющие при этом эмиссию
углекислого газа, паров воды и теплоты:
C + O2
= CO2 + Q;
CnHm + [n + 0,25m]O2 → nCO2 + [0,5m]H2O + Q,
где Q = 102,2n + 47,7m кДж/моль/
Сопутствующие реакции,
определяющие эмиссию других загрязнителей, связаны с содержанием примесей в
топливе, термоокислением азота воздуха и вторичными реакциями, происходящими
уже в окружающей среде. Все перечисленные реакции сопровождают работу тепловых
станций, промышленных печей, двигателей внутреннего сгорания, газотурбинных и
реактивных двигателей, процессы металлургии, обжига минерального сырья и т.п.
Энергетика, причем не только атомная, помимо химического и теплового является
также источником радиационного и других видов загрязнений.
Указанные процессы
обусловливают до 85% химического загрязнения атмосферы, до 35% наиболее
токсичного загрязнения поверхности земли и поверхностных вод, а также частично
радиационное загрязнение. Наибольший вклад в энергетически зависимое
загрязнение среды вносят теплоэнергетика и транспорт. Электростанция мощностью
1000 МВт, работающая на угле, ежегодно выбрасывает в атмосферу 36 млрд м3
отходящих газов, 100 млн м3 пара, 360 тыс. т золы и 5 млн м3
сточных вод с содержанием примесей от 0,2 до 2 г/л (табл. 7).
Таблица 7
Удельные выбросы в атмосферу при работе
ТЭС мощностью 1000 Вт на
разных видах топлива, г/кВт∙час
|
Выбросы |
Топливо |
||
|
Уголь |
Мазут |
Газ |
|
|
Частицы |
0,4-1,4 |
0,2-0,7 |
0-0,05 |
|
СО |
0,3-1,10 |
0,1-0,5 |
- |
|
NOX |
3,0-7,5 |
2,4-3,0 |
1,9-2,4 |
|
SO2 |
6,0-12,5 |
4,2-7,5 |
0-0,02 |
Кроме указанных веществ, в
твердых, жидких и газообразных отходах ТЭС содержатся углеводороды, сульфаты, хлориды,
фосфаты, фтористые соединения, соли тяжелых металлов. В среднем в топливной теплоэлектроэнергетике на одну тонну условного топлива
приходится до
Зато уровень загрязнения,
связанный с эксплуатацией автотранспорта, возрос, так как число автомобилей в
мире росло быстрее, чем совершенствовались двигатели и устройства очистки
выхлопных газов. Число двигателей
внутреннего сгорания (ДВС) в мире близко к 1,2 млрд единиц. Около
900 млн из них - это двигатели автомобилей.
Остальное количество относится к другим видам транспорта. Более 82%
автопарка приходится на легковые автомобили. Из 3,3 млрд т нефти, добываемой в
мире, почти 1,6 млрд т (48%) используется всеми видами транспорта, в том числе
1,35 млрд т - легковыми автомобилями.
Обмен веществ автомобиля с
карбюраторным двигателем при расходе горючего в смешанном режиме движения
Следует также иметь в виду,
что в практике эксплуатации автотранспорта весьма значительны разливы и утечки
горючего и масел, образование металлической, резиновой и асфальтовой пыли,
вредных аэрозолей. Суммарная токсичность эмиссий в расчете на единицу
потребляемой энергии у автотранспорта в 1,5 раза больше, чем у стационарной
энергетики. И как бы ни совершенствовался за счет технических новинок
современный суперлимузин, он все больше становится
морально вырожденным техническим анахронизмом.
Большое количество
загрязнителей атмосферы образуется при различных производственных процессах в
черной и цветной металлургии, деревообрабатывающей и целлюлозно-бумажной
промышленности, химии и нефтехимии, машиностроении.
Масштабы загрязнения
территории или акватории каким-либо источником определяются многими факторами,
среди которых ключевыми являются мощность источника, состав эмиссии,
подвижность транспортирующей среды и другие внешние условия рассеяния.
Количественная оценка
глобального загрязнения. Общая масса отходов современного человечества и
продуктов техносферы составляет около 140 Гт/год, из которых около 9 Гт -
это масса изделий, или так называемый «отложенный отход». Таким образом, в
среднем на одного жителя планеты приходится более 22 т всех техногенных эмиссий
в год. Из 131 Гт отходов около 2,5 Гт (не считая воды) приходится на нетто-выделения всех
людей, а 128 Гт «чисто техногенных» отходов
распределяются следующим образом: 32 Гт (25%)
выбрасываются в атмосферу, 14 Гт (11%) сливаются со
стоками в водоемы, 82 Гт (64%) попадают на
поверхность земли. К этим количествам добавляется и часть «отложенных отходов»
- некоторая масса (порядка 2 Гт/год) быстро
расходуемых продуктов и изделий в виде мусора, удобрений, средств защиты
растений и т.п.
Преобладающая масса
техногенных материалов, оказывающихся на поверхности земли и в донных
отложениях водоемов, химически инертна. В основном это отходы добывающих
отраслей производства, формирующие отвалы пустой породы, терриконы, золо- и шлакоотвалы. Как правило,
их не считают загрязнителями, хотя они занимают много места, нарушают природные
ландшафты и являются вторичными источниками загрязнения воздуха и природных
вод. Объемы этих отходов настолько велики, что даже при малых концентрациях в
них токсичных примесей суммарно окружающая среда получает огромное количество
опасных веществ.
По различным экспертным
оценкам, общая масса техногенных эмиссий, относимых к разным классам опасности,
составляет от 5 до 8 Гт в год, т.е. примерно от 0,8
до
По относительно стабильным
концентрациям на земле, в континентальных водоемах и приземных слоях воздуха
массы токсичных загрязнителей распределяются в соотношении 3:2:1.
Химизация техносферы достигла к настоящему времени таких масштабов, которые заметно
влияют на геохимический облик всей экосферы. Общая
масса производимых продуктов и химически активных отходов химической и
нефтехимической промышленности мира (вместе с сопутствующими производствами)
превысила 1,5 Гт/год. Почти все это количество может
быть отнесено к загрязнителям. Но дело не только в общей массе (масса эмиссий в
ряде других отраслей значительно больше, чем в химии), но и в числе,
разнообразии и токсичности производимых веществ. В мировой химической
номенклатуре значится более 10 млн индивидуальных веществ; ежегодно их число
возрастает на несколько тысяч. В заметных количествах производится и
предлагается на рынке более 100 тыс. веществ, а в массовых масштабах
производится около 5 тыс. Суммарный объем мирового производства минеральных
удобрений, серной, соляной и азотной кислот, аммиака, каустической и кальцинированной
соды, пластмасс, синтетических смол и каучука, химических волокон и нитей
достиг 500 млн т в год. Однако подавляющее большинство производимых и
используемых веществ не оценены с точки зрения их токсичности и экологической
опасности.