Тема 14. Техногенная трансформация экосистем. Техногенез и геосферы планеты.
1. Техногенные
характеристики современной биосферы. Понятие о техногенезе
3. Техногенез и гидрографические, геологические изменения
4. Техногенные
изменения атмосферы
1.Техногенные
характеристики современной биосферы. Понятие о техногенезе
Деятельность человека как бы расширила
границы биосферы в глубины земной коры, в высоты стратосферы и в космос. В то
же время наметилось снижение биосферной активности и массы живого вещества.
Человек создает сложные конгломераты многих подсистем, управляемых им и притом
не аккумулирующих энергию и биомассу, а расходующих энергию, биомассу и
кислород биосферы.
Возникновение множества подсистем и
систем техносферы происходило и происходит в границах
биосферы. Это усложнило биосферу. Значительная часть экосистем биосферы
оказалась измененными антропогенными агентами. На огромной площади, до 25 – 30%
суши, природные экосистемы полностью замещены техногенными системами.
Организованного взаимодействия между техносферой и
биосферой человеку создать пока не удалось. Большие города, крупные индустриальные
предприятия, животноводческие комплексы не только отчуждают и «сжимают»
биосферно активную площадь планеты, но и создают опасность из-за огромного
количества индустриальных и бытовых отбросов, поступающих в окружающую среду.
На протяжении всей истории общества
постоянно возрастала роль антропогенного фактора: охотники и собиратели
существовали около 30 тыс. лет назад, земледельцы и скотоводы - 6 - 8 тыс. лет,
земледельцы, скотоводы и ремесленники цивилизаций древности - 3 - 5 тыс. лет,
начало индустриальной эпохи - 0,5 тыс. лет назад. Если на заре жизни человека
аккумулятивное воздействие на природу проявлялось в течение десятков тысяч лет
(уничтожение крупных животных), то техника тысячекратно сократила период
воздействия (мода на слоновую кость, пушнину, страусовые перья вела к быстрому
истреблению животных). В хозяйственный оборот вовлекаются ресурсы, не связанные
с пищевыми потребностями: минеральные и лесные. Технический прогресс шел с
ускорением благодаря успехам наук, и сам способствовал развитию научных знаний.
Геологическую деятельность (совокупность
геохимических и геофизических процессов) человека А.Е.Ферсман
(1934) назвал техногенезом. В геохимическом аспекте техногенез включает:
—
извлечение
химических элементов из среды (литосферы, атмосферы, гидросферы) и их
концентрацию;
—
перегруппировку
химических элементов, изменение химического состава соединений, создание новых
химических веществ;
—
рассеяние
вовлеченных в техногенез элементов в окружающей
среде.
Рассеяние часто бывает побочным явлением.
Есть и преднамеренное рассеивание: внесение удобрений, мелиорантов,
орошение сточными водами, ядохимикаты.
Отрицательное последствие техногенеза заключается в загрязнении экосистем.
Процессы техногенеза
можно разделить на две группы. Первая унаследована от биосферы, к ней относятся
биологический круговорот, круговорот воды, рассеивание элементов при отработке
месторождений, распыление веществ и др. Вторая группа находится в резком
противоречии с природными условиями. Металлическое состояние Fe, Ni, Cr, V и некоторых
других элементов не соответствует физико-химическим условиям земной коры.
Человек уменьшает энтропию, тратит много энергии на получение и содержание
элементов в свободном состоянии. Изготавливаются соединения, никогда не
существовавшие в природе: полимеры, лекарства, краски, сплавы и др. В. И.
Вернадский приводит такие цифры: в Античную эпоху человечество использовало 19
элементов, в XVIII в. - 28, в XIX в. - 50, в начале XX в. - 60. В настоящее время используются все 89
элементов, известных в земной коре, также искусственно получены изотопы.
Критерии дифференциации экосистем по
степени загрязненности в настоящее время весьма субъективны. Исходя из основ
учения о биосфере, по-видимому, следует считать незагрязненными на настоящий
момент экосистемы, отвечающие следующим критериям:
—
не нарушаются
концентрационные, газовые и окислительно-восстановительные
(средообразующие) функции живого вещества,
регулирующие геохимическое самоочищение системы;
—
не нарушается
биохимический состав продукции настолько, чтобы вызвать нарушение жизненных
функций в пищевых цепях;
—
не понижается биопродуктивность системы;
—
не нарушается
информативность - сохраняется генофонд.
При изменении этих
условий происходит техногенная трансформация экосистем, а затем и разрушение.
Об опасности современного уровня
загрязнения элементами можно судить по соотношению двух геохимических
коэффициентов - биофильности и технофильности.
Биофильность есть отношение содержания элемента в живом веществе к
кларку литосферы. Технофильность
- отношение массы ежегодно добываемого человеком элемента к кларку
литосферы. Чем больше технофильность элемента и ниже биофильность, тем опаснее для живых организмов загрязнение
его соединениями. Наиболее токсичены Hg, Cd, F, затем Sb, As, Pb, U, затем Se, Be, Ba, St.
Техногенное загрязнение имеет разные
масштабы. Глобальное охватывает весь земной шар, например
повышение содержания СО2 в атмосфере в результате сжигания угля и
нефти, накопление Sr90 после ядерных взрывов и
др.
Загрязнения могут распространяться на
материки, страны, зоны, области в случаях применения минеральных удобрений,
ядохимикатов. Локальные загрязнения связаны с конкретным рудником, заводом,
городом.
В результате загрязнения возникают
геохимические аномалии в почвах, породах, строениях (литохимические), в водах
(гидрогеохимические), в атмосфере (атмогеохимические),
в организмах (биогеохимические).
Интенсивное изменение физических и
геофизических факторов среды произошло только в XX в. Именно с этого времени началось широкое
использование электрической, а затем и ядерной энергии, появилось множество
разнообразных машин.
Техногенные искусственные магнитные и
электромагнитные поля, инфракрасное, видимое, ультрафиолетовое и лазерное излучения,
акустические колебания, вибрация, электрический ток охватили практически всю
биосферу. Их максимум приходится на селитебные, особенно городские, ландшафты.
У большинства этих факторов есть природные аналоги, безопасности
жизнедеятельности угрожают те из них, интенсивность воздействия которых
существенно отличается от природных. Установлена их связь с ростом травматизма,
общей заболеваемостью.
Техногенное радиоактивное загрязнение
биосферы - один из самых опасных процессов. Даже незначительное повышение
радиации сильно влияет на генетический аппарат организмов, в том числе и людей.
Количество мутаций во многом определяется суммарной дозой, а не жесткостью и
интенсивностью облучения. Поэтому, говоря о радиоактивном загрязнении, в первую
очередь имеют в виду не химические особенности элементов, а их радиоактивное
излучение. К основным источникам радиоактивного загрязнения относятся:
разработка урановых месторождений, перевозка руды и рудных концентратов,
обогащение и переработка руд, хранение руд и отходов во временных хранилищах,
складирование «пустых» пород при отработке урановых месторождений, исследование
ядерных устройств в военных целях (США в войне против Японии), испытание
ядерных устройств на военных полигонах (наземные и подземные взрывы), деятельность
предприятий ядерно-топливного цикла, использование энергетических ядерных
реакторов, аварии на АЭС и реакторах, аварии на подвижных ядерных устройствах
(надводных и подводных кораблях, космических аппаратах), использование ряда
минеральных удобрений, сжигание углей на ТЭЦ и ГРЭС и др.
Человечество уже потребляет энергию,
величину которой можно сравнить с падающей солнечной энергией. И хотя
техногенные потоки энергии имеют мощность на два порядка меньше, чем
естественные воздействия, их рост проходит практически по экспоненциальному
закону.
Урбо-экосистемы. К середине 90-х гг. XX в. 43 % (2,3
млрд) населения мира проживало на урбанизированных территориях, тогда как в
В городской атмосфере создаются очаги
тепла и пыли, которые существенно влияют на температуру воздуха и режим
выпадения осадков. Центр города в среднем теплее, чем его окраины и
окрестности. Отличия в климате города и окрестностей иногда равнозначны
передвижению на 200 -
Современные города представляют собой
сплошную геохимическую аномалию полиэлементного
состава. Главные источники загрязнения - выхлопные газы автомашин и
промышленные предприятия. На автомагистралях воздух обогащен СО, NO, NO2 и др. Техногенные ореолы вокруг предприятий
распространены на километры. Среди элементов-загрязнителей особо опасны Hg, Pb, Cd, которые накапливаются
в растениях, почвах, водах, животных, человеке. Их концентрация в центре
городов может быть в 25 раз выше, чем на окраинах. Образуются и особые
геохимические туманы - смоги. В водоемах городов, в прудах на территории
металлургических и химических комбинатов образуются почти полностью техногенные
илы. Спектр накапливающихся элементов-загрязнителей очень широк: Ag, Hg, Cd, Pb, Ni, Cu, Zn, Sn, Bi, Mo, P и т.д. Во
многих илах повышено содержание битумов, появляются синтетические продукты,
неизвестные в биосфере, существенно изменяются микробиологические процессы.
Например, в реках и каналах Санкт-Петербурга илы обогащены органическими
соединениями (до 30%), Сu и Zn. В речных илах промышленных городов фракция менее
В процессе урбанизации формируется урбо-экосистема. Урбо-экосистема
- это природно-городская система, состоящая из фрагментов природных экосистем,
окруженных домами, промзонами, автодорогами и т.д.
Она характеризуется созданием новых типов искусственно созданных систем в
результате деградации, уничтожения и (или) замещения природных систем.
Для урбо-экосистемы
характерны меньшая рекреационная ценность, нарушенность
биологического круговорота, сокращение биоразнообразия как по составу, так и по
структурно-функциональным характеристикам. Формируются совершенно иные по
породному составу, структуре и функциональным особенностям культурные
растительные сообщества. Городская флора не утрачивает полностью своих
зональных черт, но зональные черты лесной зоны ослаблены, появляется
растительность, характерная для засушливых районов. Городская флора формируется
из местных аборигенных видов и интродуцированных
привнесенных, заносимых видов. Особенностями городской флоры являются
следующие: богатство флористического состава, традиционная интродукция
культурных видов, флористическая неоднородность города, обусловленная его
экологической, географической и возрастной неоднородностью. Исчезает ряд важных
групп беспозвоночных животных сапрофильного
комплекса, непосредственно участвующих в разложении органических остатков. При
загрязнении химическими и биологическими веществами может происходить заражение
чужеродными почвенными микроорганизмами и появление патогенных видов.
Существенна опасность явления генотоксичности, увеличения
мутаций живых организмов (особенно микроорганизмов).
В экологических условиях города формируются новые
почвы и почвоподобные тела, отличающиеся чрезвычайной
гетерогенностью и гетерохронностью сложения и
свойств. В почвах замыкается биологический круговорот веществ, происходят
биохимическое преобразование культурного насыпного слоя, трансформация
поверхностных вод в грунтовые. Почвы являются питательным субстратом для
растений, служат банком семян, регулятором газового обмена и т.д. Городские
почвы сохраняют биокосную природу и выполняют
важнейшие экологические функции, главными из которых являются пригодность для
произрастания зеленых насаждений, способность сорбировать в толще загрязняющие
вещества и удерживать их от проникновения в почвенно-грунтовые воды, а также от
поступления пыли в городской воздух.
В агроэкосистемах
ведущую роль играет биологический
круговорот, для его характеристики используют понятия биомассы, продуктивности,
коэффициентов биопоглощения, с которыми связаны
естественное и эффективное плодородие почвы, система удобрений, качество
сельскохозяйственной продукции и т.д.
В агроэкосистемах
человек стремится усилить образование живого вещества. Повышение продуктивности
достигается через мобилизацию внутренних минеральных ресурсов за счет распашки
почв, усиления окислительных процессов при осушении болот, орошения, а также за
счет химизации - дополнительного внесения минеральных элементов. Для повышения
продуктивности применяются NPK - удобрения, но и с ними вносятся многие
микроэлементы. Все это порождает новые проблемы. Избыток нитратов ухудшает
качество получаемых продуктов, вымывание может сделать токсичной питьевую воду.
Избыток фосфатов в водоемах вызывает цветение воды. «Побочные» микроэлементы
могут загрязнять среду, вовлекаясь в водную миграцию.
Распашка усиливает механическую миграцию
субстрата в результате водной и ветровой эрозии, сопровождающуюся потерей
многих питательных элементов. Часто потери превышают привнос
с удобрениями. В Латинской Америке «эрозионные пустыни» в
Новым типом высокопродуктивной агроэкосистемы являются оазисы в пустынях и полупустынях.
Недостаток воды подавляет здесь биологический круговорот, хотя в оазисах много
тепла, света, плодородны почвы. Некоторые оазисы в пустынях уже существуют
тысячелетия (низовья Зеравшана, Амударьи, Мургаба). Дополнительное орошение
вызывает «взрыв» биологического круговорота, возникают оазисы с новыми почвами,
новым микроклиматом, искусственными реками и озерами (арыками и
водохранилищами). Однако в оазисах возникают новые экологические проблемы.
Орошение резко увеличивает продукцию, но при этом почвы теряют важные для
сельскохозяйственных культур микроэлементы. В условиях орошения благоприятное
воздействие на эти культуры оказывают Zn, I, В, Мn, Мо. Дефицит
микроэлементов в кормах для животных пополняется минеральной подкормкой Со, Сu, Mn, Zn.
Ирригация может вызвать подъем уровня
грунтовых вод, развивается вторичное засоление, ухудшается качество питьевой
воды.
При осушении торфяников формируются новые
экосистемы. В болотных экосистемах разложение органического вещества замедлено
вследствие переувлажнения и низкой активности аэробных микроорганизмов.
Биогенный углерод извлекается из биологического круговорота и «консервируется»
в составе торфа. При создании дренирующих устройств из мелиорируемой экосистемы
отводится избыток воды. Верхние горизонты болотных почв оказываются в аэробных
условиях, поэтому резко активизируется деструкция торфа. Значительные
количества углерода в составе углекислого газа выделяются в атмосферу. Смена
биоценозов (сообществ животных, растений и микроорганизмов) происходит как
естественным путем, так и вследствие возделывания сельскохозяйственных культур
(например, сеяные луга). На осушенных землях изменяется направленность
почвообразовательных процессов, развивается зональное лесное или дерновое
почвообразование. Новая экосистема характеризуется иными параметрами биомассы,
продуктивности, коэффициентами биопоглощения,
интенсивностью биологического круговорота химических элементов.
Экосистемы районов добычи и
переработки полезных ископаемых. Трансформация
экосистем зависит как от специфики и масштабов производства, так и от природных
условий. В гумидных районах угледобычи, по Н.П.Солнцевой и Е.М.Никифоровой,
в экосистемы поступают тяжелые металлы, битумозные
вещества, легкорастворимые соли, главным образом сульфаты железа, марганца,
алюминия. В результате засоляются почвы, из-за восстановления сульфатов
возникают сульфидные геохимические барьеры, на которых концентрируются
соединения железа. В почвах и живых организмах накапливаются канцерогенные Be, Sc, Bi, Hg, Cd, Се и другие
микроэлементы.
В Западной Сибири при добыче нефти
активно используются пресные грунтовые и пластовые воды. В результате в
миграцию включаются соленые воды глубоких горизонтов. В подземных водах
уменьшается содержание Fe, Mn, H2S, гуминовых веществ, ряда микроэлементов, растет
содержание фенолов, ионов аммония и других нефтепродуктов. Энергично
развивается микробиологическая деятельность.
На нефтепромыслах других регионов
установлено изменение почв: в тайге формируются солончаки с характерным типом
растительности.
В аридных районах особенно большое
значение приобретают атмосферная миграция химических элементов, распыление руд
и отвалов. В лесостепной зоне Южного Урала в районе одного из
горно-обогатительных комбинатов (медно-колчеданные руды) основными источниками
загрязнения являются карьер, отвалы, обогатительная фабрика, склады.
Установлено загрязнение почв и растительности Сu, Zn, Pb, Ni, V, Cr. Радиус
ореола техногенного загрязнения колеблется от 5 до
В Средней Азии в районе фосфатного
производства среда загрязняется S, F, As и тяжелыми
металлами. Площадь былых рудников и карьеров на территории страны достигает
миллионов гектаров. В результате рекультивации их превращают в агроландшафты, зоны отдыха и т.д. В экосистемах рекультивированных территорий, как правило, сохраняется
техногенное загрязнение.
У домашних животных в организме
накапливаются фосфор и сера, вызывающие дефицит таких микроэлементов, как медь
и цинк.
Экосистема автомобильной дороги с
примыкающей к ней полосой. За
счет выхлопных газов и других воздействий автомашин меняется состав атмосферы,
почв, растений и животных. В США исследование полосы шириной
3.Техногенез и
гидрографические, геологические изменения
Реки тысячелетиями прокладывают свое русло,
разрабатывая долину в коренных породах. С помощью техники человек за короткое
время создает канал, соизмеримый по ширине и длине с рекой. В настоящее время
шлаков накапливается в 10 раз больше, чем осаждается известковых илов во всем
Мировом океане. На устройство искусственных морей-водохранилищ уходят считанные
годы.
При горных работах образуются котлованы,
которые нередко глубже пещер. Крупнейшие открытые разработки месторождений
полезных ископаемых соизмеримы с самыми крупными вулканическими кальдерами.
Общая протяженность ежегодно пробиваемых подземных горных выработок (шахт,
штолен) значительно превышает масштабы годового прироста подземных форм
естественного карста.
В результате мощных откачек подземных вод
и разработок месторождений нефти и газа происходит опускание земной поверхности
на огромных территориях. Например, откачка подземных вод в целях орошения в
долине Сан-Хоакин (Калифорния) привела к опусканию поверхности до
В природных условиях быстро растут
шлаковые и лавовые конусы вулканов, образуя значительные положительные формы
рельефа. При горных работах за десятилетия возникают многочисленные высокие (до
4.Техногенные изменения
атмосферы
В атмосфере меняется содержание главных компонентов:
кислорода, азота, водяного пара, углекислого газа и взвешенных в воздухе
минеральных частиц - аэрозолей. Выбросы техногенных газов, пыли содержат много
токсичных веществ. В выхлопных газах автомобилей содержится около 200
химических соединений, в частности канцерогенных полициклических углеводородов,
ядовитого оксида свинца. Тепловые станции, работающие на тепле, загрязняют
атмосферу оксидами азота и серы, которые с атмосферной влагой дают азотную и
серную кислоты. Доменное производство «выдыхает» сернистый газ, соединения
сурьмы, свинца, мышьяка, пары ртути. Еще больше тяжелых токсичных металлов
поступает в воздух от предприятий цветной металлургии. Химическая
промышленность - активный загрязнитель оксидами углерода, азота, серы,
аммиаком, хлористыми и фтористыми соединениями, сероводородом, углеводородами.
Подобные источники загрязнения обычно локализованы, но для проживающих здесь
людей это лишь усугубляет ситуацию. В промышленных районах и городах стремление
к комфорту (автотранспорт) неизбежно сопровождается загрязнением атмосферы.
Загрязнения связаны и с сельским
хозяйством: производство минеральных удобрений, обработка пестицидами (особенно
с воздуха), отходы животноводства.
С прошлого века начался новый этап в
эволюции атмосферы. Краткость этого этапа по сравнению с геологическим
масштабом времени и огромные объемы газов атмосферы не привели до настоящего
времени к резким переменам. В сложных природных системах за миллионы лет
создаются тонко сбалансированные механизмы регуляции. Однако есть некоторые
уязвимые точки, например озоновый экран или радиационные пояса планеты.
Водяной пар и углекислый газ снижают
потери тепловой радиации. Изучение антарктического льда, аккумулированного 15 -
20 тыс. лет назад, с остатками древней атмосферы эпохи максимального последнего
оледенения показало, что концентрация СО2 составляла 0,016 - 0,020
%. Это концентрация близка к состоянию сплошного оледенения Земли. Увеличение
содержания СО2 на 30% по сравнению с современным приведет к
установлению полностью безледного режима. По данным
наблюдательной станции на Гавайских островах за 22 года (1958 - 1980 гг.),
отчетливо выражена общая тенденция к повышению СО2 в атмосфере.
Азота в атмосфере очень много
(3,9×1015 т), но его промышленная добыча уже сейчас превышает
биологическую фиксацию.
Техногенез сопровождается ростом потребления кислорода: сжигание
топлива, окисление металлов и почв (9×109 т О2 в
год). Фотосинтез подавляется в связи с уничтожением лесов, опустыниванием и
загрязнением океана.
Техногенез обогащает атмосферу соединениями, ранее в ней не
существовавшими. Например, оксид азота, образующийся при полете реактивных
самолетов, разрушает озоновый экран. Впрочем, результаты техногенных
воздействий на озоновый экран остаются невыясненными.
Итак, уменьшается количество кислорода и
озона, возрастает содержание СО2, СО, СН4, аэрозолей,
пыли. Нынешнее состояние биосферы неустойчиво, оно может нарушить
отрегулированную за многие миллионы лет биогенную атмосферу.
Основной водообмен
идет между атмосферой и Мировым океаном. Очень медленно обмен воды происходит
между гидросферой и литосферой. Высокая устойчивость химического состава вод
океана в значительной степени связана с литосферной регуляцией. Развитие жизни
увеличило в океане содержание кислорода, натрия, сульфатов, снизило количество
водорода, аммония, железа, марганца, алюминия и др. Под влиянием техногенеза химический состав океана меняется в обратном
направлении (ускоренное поступление металлов и их соединений, большого
количества углеводородов, в частности нефти). По сравнению с объемом океана
поступления техногенных веществ ничтожны, но для геологических масштабов
времени растут очень быстро. Если бы поступление в океан нефти современными
темпами шло в фанерозое, то за прошедшие 600 млн лет
в воде оказалось бы около 10 % нефти.
С помощью опреснителей из морей получают
воду, пригодную для питья. Из морской воды добывают Mg, К, Na, Cl, Вг, ставится вопрос об
извлечении U и других элементов. Роль океана
как источника минерального сырья растет с каждым днем. Уже более 1/4
мировой добычи нефти получают за счет бурения на шельфе. Прибрежно-морские
россыпи содержат алмазы, золото, рутил, циркон, янтарь и др. Разработаны методы
добычи железомарганцевых конкреций. Поставлен вопрос об извлечении из
металлоносных растворов рифтовых впадин тяжелых
металлов. Пленка нефти затрудняет поступление кислорода в воду, замедляет
процесс испарения. Это грозит нарушением круговорота воды, снижением
биологической продуктивности океана. Съемки из космоса показали, что 30 %
поверхности океана содержат нефтепродукты. Нефтяное загрязнение грозит
рыболовству и птицам, образуются «черные приливы», на дне возникают подводные
пустыни. Обогащение прибрежных вод Флориды отбросами, содержащими Со, Р и Ni, привело к быстрому размножению микроорганизмов,
выделивших в воду ядовитые продукты обмена. «Нашествие» микробов, погубивших
рыбу, продолжалось полгода. Аналогичные явления наблюдались и у берегов
Калифорнии, где размножающиеся организмы привели к гибели миллионов рыб. Сотни
потребителей отравились устрицами, зараженными токсинами.
Мобильные воды суши обычно мало
минерализованы. Современное изменение их состава направлено против жизни; в
речной воде накапливаются токсичные металлы, нитраты, нитриты, углеводороды,
техногенные жиры и кислоты. Загрязнение изменяет биологический круговорот: в реках
и озерах исчезает рыба, вода становится непригодной для питья. Некоторые реки
превратились в грязесточные канавы.
В связи со строительством ГЭС снизилась
проточность речных вод, возникают застойные зоны. Затопление плодородных пойм обогатило
почву биофильными элементами. В результате вода стала
цвести, бурно развились водоросли. Избыток водорослей загрязняет водоемы, а
разложение их остатков уменьшает содержание в воде кислорода, обогащает ее
гнилостными продуктами, вредит рыбе, делает воду непригодной для питья. Борьба
с водорослями затруднена в связи с их исключительной устойчивостью. Они могут
существовать в воде урановых котлов атомных реакторов, в эпицентре ядерного
взрыва вскоре после испытаний, переносят силу тока в 10 А и напряжение в 20 -
30 кВт. Удобрения, поступающие из почв, вызывают эвтрофикацию
водоемов.
Значительные изменения претерпевают
пресные наземные и грунтовые воды, а также почвенная влага. Они не только
преобразуются по составу, но и значительно перераспределяются. На 15% возрос
объем устойчивого стока рек из-за уменьшения лесов, роста городов (в Москве
слой поверхностного стока воды в 3,6 раза выше, чем в естественных условиях),
искусственного водообмена, осушения болот. Орошение
уменьшает площади бессточных водоемов (Аральское море).
Конечно, воды сейчас не только
загрязняются, но и очищаются. Создается мощный искусственный круговорот воды.
Однако полной очистки воды после использования человеком все же нет,
содержащиеся в ней примеси концентрируются живыми организмами.
Настоящее время относится к стадии
деградации последнего крупного оледенения в Северном полушарии. Техногенные
перестройки криосферы имеют как локальный, так и глобальный характер.
Деградацию вечной мерзлоты вызывают строительство городов и промышленных
поселков, устройство водохранилищ. Разрушение мерзлых горных пород
сопровождается общим опусканием поверхности на обширных территориях,
заболачиванием, эрозией земель, термокарстовыми явлениями. На морские льды и
ледники оказывают большое влияние оседающие на их поверхности техногенные пыль
и гели, концентрирующие солнечную энергию. Процесс деградации криосферы может
перейти в режим ускоренного саморазвития. Уменьшение площади льдов уменьшит
альбедо территории, увеличит температуру наземных вод и приземного воздуха, что
вызовет дальнейшее таяние льдов. Талые воды поднимут уровень Мирового океана
сначала на метры, а потом и на десятки метров. Затопятся обширные плодородные
низменности, увеличится влажность атмосферы, что усугубит последствия этих
«потопов».
7.Техногенез
и земная кора
Преобразование земной коры происходит
главным образом при добыче и переработке минеральных ресурсов,
инженерно-геологической деятельности. Человек изменяет литогенез и качественно,
и количественно. В настоящее время перемещается приблизительно более 2 -
3×1011 т в год минерального вещества. При таких темпах всю
земную кору можно было бы обновить за 40 - 50 млн лет, а для воссоздания всего
осадочного слоя (2×1018 т) понадобилось бы вдесятеро меньше
времени. Выплавка различных металлов из руд требует больших энергетических
затрат.
Многие техногенные синтезы идут против
природных законов, создаются вещества, не встречаемые в природе (чистый
алюминий, сверхчистые соединения, различные сплавы). Затрачивается много
энергии на образование новых сложных соединений (синтетические материалы,
бетон). По приближенным расчетам, масса всех технических систем (машины,
заводы, фабрики и используемые ими вещества) в десятки раз превышает массу живого
вещества планеты, а общая масса продукции техногенеза
примерно соответствует биопродукции естественных
экосистем. Однако надо помнить, что вся она создается за счет солнечной энергии
былых биосфер.
По некоторым оценкам, человек расходует
энергию примерно в десять раз быстрее, чем она аккумулируется с биогенными
осадками.
Месторождения полезных ископаемых
создаются тысячи и миллионы лет, это одна из форм утилизации солнечной энергии.
Часть этой энергии заключается в новых техногенных энергоемких материалах, но
большая часть рассеивается в окружающем пространстве. Активность техногенной
миграции химических элементов уже превысила активность природной. Человеку еще
удивительно мало известно о том, что происходит с техногенными продуктами, как
долго они сохраняются и какие превращения испытывают. Только зная глобальный
кругооборот естественных и искусственных веществ, можно прогнозировать развитие
окружающей среды.
8.Техногенез и педосфера
Современное состояние почвенного покрова
внушает большую тревогу. Наблюдаются значительные потери продуктивных земель
вследствие распространения водной эрозии, пыльных бурь, вторичного засоления и
заболачивания, отчуждения земель под строения, населенные пункты, аэропорты,
склады, дороги, шахты, нефтепромыслы и т.п. Общие ежегодные потери земель в
мире составляют 15 млн га. В числе этих потерь освоенные продуктивные земли
составляют 60 - 70 %. Это частично компенсируется площадями нового освоения
земель и пастбищных угодий, которые по уровню плодородия часто ниже ранее освоенных
и отчужденных угодий. В этом одна из причин низких урожаев, малой эффективности
мелиорации во многих странах мира, в результате потери продукции составляют не
менее 20 - 25%, а иногда 40 - 60%.
Резко снижают продуктивность почв внешне
малозаметные явления, такие как потери гумуса - дегумификация,
вторичная кислотность и высокая щелочность, переуплотненность
пахотного и корнеобитаемого горизонтов тяжелыми машинами, длительное господство
монокультуры, загрязнение токсичными соединениями, стерилизация и ослабление
биохимической активности почв.
В различных географических условиях
формируются различные почвы, культивируются различные растения - все они
неодинаково реагируют на отмеченные отрицательные явления.
Аридизация и опустынивание суши сказываются не только на
плодородии почв. Происходит засоление почв, изменяется их щелочность. Частыми
становятся засухи, пыльные бури. Уменьшаются ресурсы речных, озерных и
подземных вод. Воды становятся более минерализованными. Это уменьшает
эффективность орошения и усиливает процессы засоления почв.
Безудержная вырубка лесов северного и
южного полушарий сопровождается потерей плодородного слоя почвы на склонах и в
горах, восстановить который порой невозможно.
В минуту на Земле вырубается до
Сжигание каменного угля, нефти, газа
сопровождается поступлением в атмосферу, а затем и в почвы токсичных соединений
(Hg, Pb, Cd, Сu, оксиды серы, азота, полициклические ароматические
соединения и др.). Выпадение кислых атмосферных осадков уже отрицательно
сказывается на продуктивности почв Скандинавии, северо-восточной Америки и
других регионов. Почвы интенсивно загрязняются избытком удобрений,
многочисленными химическими препаратами. Здоровье человека, болезни, скрытые
мутации косвенно зависят от присутствия и концентрации, соотношения и
взаимодействия техногенных соединений с почвами, почвенными организмами и
растениями.
Почвенный покров вместе с растительным
покровом играет огромную роль в сохранении нормального режима биосферы,
качества воздуха, воды, пищи, здоровья населения. Почвы вместе с растениями
участвуют в производстве ценнейшей и необходимой для человека биопродукции, аккумулируют и распределяют космическую
энергию, обеспечивают оптимальный баланс кислорода в атмосфере и являются
экраном, удерживающим в биосфере важнейшие биофильные
элементы от геохимического стока в Мировой океан. Почвенный покров играет роль
универсального биологического поглотителя и нейтрализатора многих загрязнений.
9. Техногенез и климат
Главнейший фактор климата - первичное
распределение солнечной энергии, достигающей земной поверхности. На него
накладываются вторичные климатообразующие факторы - динамика атмосферы и Мирового
океана, зависящая от взаимной конфигурации суши и моря, рельефа континентов,
вращения планеты. Растительный покров, в особенности многоярусный, содействует
максимальному использованию лучистой энергии.
Имеет значение и увлажненность растений и
почв: вода - прекрасный аккумулятор тепла. В пределах опустыненных
техногенных территорий увеличивается отражающая способность - альбедо. Сильное
отражение солнечных лучей в Сахаре и других пустынях приводят к охлаждению
верхних слоев тропосферы. Возникают восходящие потоки воздуха, вызывающие
засухи. Значительно нагретые слои воздуха поступают вверх, но они не несут
влагу, которой нет в почве, растениях, грунтах подстилающих пустынных
территорий. Нет конденсации влаги, нет и осадков. Увеличение прозрачности воздуха
усиливает солнечную радиацию и иссушение поверхности. В глинистых и каменистых
пустынях альбедо может быть ниже, чем на лугу или в лесу. Но пустынные земли
переводят солнечную энергию лишь в тепло и быстро отдают его ночью.
С ростом опустыненных
земель начинают меняться климатические характеристики, т.е. процесс идет с
саморазвитием. Быстро расширяется пустыня Сахара, только с 1958 по
До середины XX в. нелегко было обосновать идею техногенных перемен
климата. С развитием кибернетики и вычислительной техники стали разрабатываться
математические модели глобальной системы климатов, проводиться многофакторный
анализ. Английские климатологи сделали прогноз изменений природных условий
Сахары при условии, что треть территории пустыни будет покрыта лесами. Ответ
ЭВМ был примечателен: в Сахаре начнется эпоха повышенной увлажненности, даже
появятся обширные болота. Как не вспомнить, что несколько тысячелетий назад на
территории Сахары обитали крокодилы и бегемоты.
Теплые климаты в прошлом планеты
объяснялись повышенным содержанием СО2 в атмосфере. Впервые
заключение о неизбежности значительного изменения глобального климата в
результате сжигания все возрастающего количества углеродного топлива было
высказано в начале XX столетия С.Аррениусом.
Он считал, что океан поглощает не весь углекислый газ, образуемый в процессе
хозяйственной деятельности, в результате чего происходит повышение концентрации
СО2 в атмосфере. По мнению ученого, удвоение концентрации
углекислого газа должно привести к повышению средней температуры нижнего слоя
воздуха на 4 °С, что не очень сильно отличается от принятой сейчас оценки этой
величины.
В начале 60-х гг. XX в. появились первые материалы наблюдений, показывающие
повышение массы углекислого газа, скорость накопления была одинакова на
территориях, удаленных друг от друга на большие расстояния: Гавайские острова,
Аляска, Южный полюс и др.
Климатические условия Земли ближайших
десятилетий будут в основном зависеть от антропогенного роста концентрации
углекислого газа в атмосфере. Считают, что антропогенное потепление климата
наиболее проявится в средних и особенно в высоких широтах. Может возникнуть
проблема существования режима морских полярных льдов, сокращения их площади и
уменьшения толщи. При повышении температуры на 4,4 °С льды в Северном полушарии
почти полностью исчезают. Палеоклиматические данные свидетельствуют о том, что
арктические льды образовались в конце плиоцена, когда средняя температура воздуха
была ниже современной на 2 - 3 °С. Тогда обусловленное человеком потепление
будет соответствовать восстановлению климатических условий, которые, возможно,
существовали во второй половине третичного периода. Произойдет изменение
положения географических зон. Избыточно влажные и влажные климатические области
будут перемещаться в более высокие широты.
На большей части территории континентов
увеличится испаряемость и возрастет количество осадков. По-видимому, следует
ожидать роста глобальной продуктивности растительности из-за прямого влияния СО2
на фотосинтез, увеличения сумм осадков на части территории континентов и
площади наиболее плодородных зон за счет распространения этих зон в направлении
более высоких широт. Уровень Мирового океана в течение последних сотен тысяч
лет много раз повышался и понижался в соответствии с развитием наземного
оледенения. В эпохи наибольших четвертичных оледенений уровень океана понижался
по сравнению с современным более чем на
В настоящее время Всемирная
метеорологическая организация при участии метеорологических служб ряда стран
проводит широкие исследования для изучения проблем, включенных во Всемирную
климатическую программу. В число этих проблем входят расчет предстоящих
изменений климата и оценка влияния этих изменений на биосферу и хозяйственную
деятельность человека.