Лекция № 11 - Антропогенные факторы возникновения неустойчивости в биосфере

Цель лекции: познакомить студентов с основными экологическими проблемами планетарного масштаба; воспитать бережное отношение к окружающей среде.

План лекции:

Понятие глобальной экологии

Глобальные антропогенные кризисы

Проблемы разрушения озонового слоя

Проблема парникового эффекта

Проблема «кислотных дождей»

Отходы производства

Основные понятия по теме: глобальная экология, озоновый слой, парниковый эффект, кислотные дожди, отходы производства, Экологическая проблема, экологический кризис, шумовое раздражение, радиоактивное загрязнение

 

В начале своего становления экология рассматривала взаимодействие организма и среды (аутэкология), затем популяции и среды (демэкология), сейчас она превратилась в системную комплексную науку о структуре, функционировании и развитии биогеоценозов или экосистем (синэкология), где предельно широкой экосистемой выступает биосфера (глобальная экология). Термин «глобальная экология» был предложен М. И. Будыко в 1977 г. для комплексной научной дисциплины, изучающей биосферу в целом.

С. С. Шварц писал: «В последнее время сложилась практика определять комплекс глобальных проблем взаимодействия человека и природы как глобальную экологическую проблему, а комплекс наук, исследующих эту проблему, - как глобальную экологию...» Одним из основополагающих принципов теории глобальной экологии должен быть принцип «неизбежности прогрессирующего антропогенного изменения природной среды».В настоящее время истощаются естественные ресурсы суши и океана, уничтожаются различные виды растений и животных, происходит антропогенное нарушение биогеохимических циклов веществ, загрязнение всех компонентов окружающей среды, а также упрощение и деградация экосистем. Именно это и определяет исключительную актуальность проблем глобальной экологии.

Сегодня в повседневной жизни мы часто используем термины «экологические проблемы» и «экологический кризис». Попытаемся определить их смысл.

Экологическая проблема - это противоречие, возникающее при нарушении равновесия в системе «живая система окружающая - среда». Наукой установлено, что количества веществ, образующихся в результате биологического синтеза и разлагающихся в биосфере, совпадают, образуя сложную систему замкнутых биогеохимических циклов. Нарушение этой цикличности (нарушение действия закона Ле Шателье - Брауна) и проявляется в истории биосферы в виде экологических кризисов.

Экологическим кризисом (от греч krisis - поворотный пункт, исход) называется ситуация, возникающая в экосистемах (например, в биосфере) в результате нарушения экологического равновесия под воздействием стихийных природных явлений (наводнений, извержений вулканов, засухи, похолоданий, землетрясений и т. п.) или в результате воздействия антропогенных факторов (загрязнение окружающей среды, разрушение естественных экосистем, вырубка лесов и др.). В последнем случае, т. е. когда виновником экологического кризиса является хозяйственная деятельность человека, говорят об антропогенном экологическом кризисе.

В истории человечества выделяют три антропогенных экологических кризиса:

Первый антропогенный экологический кризис («кризис консументов») связан с массовым уничтожением (перепромыслом) крупных животных. Полагают, что он мог произойти 10-50 тыс. лет назад. Американский геолог Пол Мартин считает, что значительное число крупных млекопитающих ледникового и межледникового периодов в Северной Америке и Евразии, таких, как мастодонт и мамонт, некоторые виды верблюдов и лошадей, гигантские ленивцы и др, исчезли не в результате воздействия неблагоприятных климатических условий, как полагают некоторые ученые, а были истреблены ордами бродячих охотников ледникового периода, уже применявших метательное оружие.

Второй антропогенный экологический кризис («кризис продуцентов») произошел 150-350 лет назад и был связан с бурным развитием производительных сил общества, вызвавших широкое применение природных минеральных ресурсов, промышленную, а затем и научно-техническую революцию.

Третий (современный) антропогенный экологический кризис обусловлен недопустимо высоким уровнем глобального загрязнения окружающей среды. Редуценты не успевают очищать биосферу от антропогенных продуктов или потенциально не способны это сделать в силу неприродного характера выбрасываемых синтетических веществ, поэтому этот кризис часто называют «кризисом редуцентов».

Современный экологический кризис можно определить как неразрешимое в настоящее время противоречие между утвердившейся в истории цивилизации практикой хищнического отношения общества к окружающей среде и способностью биосферы поддерживать естественные биогеохимические циклы самовосстановления. Если последние совершаются со скоростью в сотни и тысячи лет, то техногенные процессы имеют скорость на порядок (примерно в 10 раз) выше. Вопросы, связанные с глобальным экологическим кризисом, впервые обсуждались на Международной конференции по проблемам окружающей среды в 1972 г. в Стокгольме.

Проблема разрушения озонового слоя. Важнейшей составной частью атмосферы, влияющей на климат и защищающей все живое на Земле от избытка ультрафиолетового излучения Солнца, является озоносфера. Основная масса озона находится на высотах от 10 до 50 км, а его максимум - на высоте 20-25 км. В слое озоносферы озон находится в очень разреженном состоянии. Если бы можно было провести такой фантастический эксперимент и собрать все количество озона, содержащегося в атмосфере, при давлении 760 мм рт. ст. и температуре 20°С, то толщина этого слоя составила бы всего 2,5-3 мм. Почему так важно поглощение озоном жесткого ультрафиолетового излучения (УФ)? Даже при небольшом повышении дозы УФ у человека появляются ожоги на коже. Ученые установили, что увеличение числа случаев заболевания раком кожи, а также болезней глаз, приводящих к слепоте, связано с ростом интенсивности УФ-радиации. Биологическое действие УФ-радиации обусловлено высокой чувствительностью нуклеиновых кислот, которые могут разрушаться, что приводит к гибели клеток или возникновению мутаций. Биологические эффекты, вызывающие изменения на молекулярном, клеточном, тканевом уровнях, пока не до конца изучены, однако имеющиеся данные заставляют относиться к проблеме очень серьезно. Резкое усиление научного и общественного интереса к проблеме озонового слоя произошло в начале 70-х годов. В 1985 году мир узнал о глобальной экологической проблеме «озоновых дыр».

Источниками веществ - виновников разрушения озонового слоя в первую очередь являются все более развивающиеся гражданская авиация и химические производства. Применение азотных удобрений в сельском хозяйстве, хлорирование питьевой воды, широкое использование фреонов в холодильных установках, для тушения пожаров, в качестве растворителей и в аэрозолях привело к тому, что миллионы тонн хлорфторметанов поступают в нижние слои атмосферы в виде бесцветного нейтрального газа. Распространяясь вверх, хлорфторметаны под действием УФ-излучения разрушаются, выделяя фтор и хлор, которые активно вступают в процессы разрушения озона. Особенно разрушителен для озона хлор: каждый его атом способен уничтожить 100 000- молекул озона! Это при том, что некоторые фреоны-долгожители, попадая в атмосферу, могут существовать в ней 70-100 лет. По данным ученых США, в случае истощения озонового слоя человечеству грозит, как минимум, резкий рост заболеваемости раком кожи и глазными болезнями, приводящими к слепоте. Вместо 500 тыс. случаев заболевания раком, которые прогнозируются учеными США в ближайшие 50 лет, им могут заболеть 12 млн. человек. Широкое движение «зеленых» во всем мире, принятие Программы ООН по окружающей среде (ЮНЕП) и действия международной организации ВМО (Всемирная метеорологическая ассоциа­ция) привели к заключению весной 1985 г. Венской конвенции об охране озонового слоя. В 1992 году в Копенгагене на конференции по озоновому слою были приняты решения уже к 1996 г. полностью прекратить производство наиболее опасных фреонов, а до 2030 г. - всех остальных. Было также выделено 240 млн. долларов для помощи развивающимся странам с тем, чтобы они прекратили производство фреонов до 2010 г. В случае выполнения принятых решений уже начиная с 2000 г. содержание хлора в стратосфере начнет сокращаться, а около 2040 г. две части на миллиард частей воздуха придут к норме.

Проблема «парникового эффекта». Состав атмосферы, как и расстояние от Земли до Солнца, определяет «бюджет» энергии атмосферы, который, в свою очередь, обусловливает все - от температуры у поверхности Земли до характера атмосферной циркуляции, перераспределяющей солнечную энергию над поверхностью. Атмосфера относительно прозрачна для видимых лучей. Земля и атмосфера поглощают примерно 67% солнечного излучения. Около 33% излучения атмосфера и поверхность Земли отражают обратно. Лучше всего отражают облака, атмосферная пыль, молекулы атмосферных газов, снег и земля, лишенная растительности. Доля падающего излучения, которое отражается обратно в космос (альбедо планеты), может существенно колебаться при изменении климата, росте концентрации пыли во время извержения вулканов, вырубке леса на больших территориях. Уменьшение или рост альбедо приведут к нагреванию или охлаждению Земли. В среднем поверхность Земли передает атмосфере количество энергии, равное тому, которое она поглощает. Средняя глобальная температура у поверхности Земли составляет около 15°С. Именно такая температура необходима для поддержания на Земле теплового равновесия. Средние колебания температуры не превышают 10°С за 10⁵ лет, 1°С за 10³ лет и составляют десятые доли градуса Цельсия за последние 100 лет.

Земля освобождается от поглощенной энергии, испуская тепловое инфракрасное излучение. В равновесном состоянии, когда температура Земли не меняется, энергия солнечного излучения, падающего на Землю, совпадает с энергией теплового излучения Земли. С учетом разницы температур поверхности Солнца и Земли можно заключить, что каждый фотон солнечного излучения распадается в среднем на Тс/Тз = 20 фотонов теплового излучения Земли. По закону сохранения энергии в отсутствие атмосферы тепловой поток от Земли должен был бы совпадать с потоком солнечной энергии, поглощенной поверхностью Земли. Расчеты показывают, что при этом температура поверхности Земли составляла бы 5°С. Тот факт, что реальная температура земной поверхности на 10°С выше, связан с наличием атмосферы, играющей роль фильтра с односторонним пропусканием, за счет чего создается так называемый «парниковый» (оранжерейный, тепличный) эффект. Углекислый газ является одним из главных виновников «парникового эффекта», потому что другие известные «парниковые газы» (а их около сорока) определяют лишь примерно половину глобального потепления. Подобно тому, как в парнике стеклянная крыша и стены пропускают солнечную радиацию, но не дают уходить теплу, так и- углекислый газ вместе с другими «парниковыми газами» практически прозрачны для солнечных лучей, но задерживают длинноволновое тепловое излучение Земли, не дают ему уходить в космос. При этом часть его уходит в космическое пространство, а часть возвращается обратно на поверхность Земли и оттуда вновь поступает в атмосферу. В результате температура приземного слоя воздуха повышается. Ежегодно на Земле сжигается около 2 млрд. т ископаемого топлива, что означает поступление в атмосферу почти 5,5 млрд. т углекислого газа. Еще приблизительно 1,7 млрд. т СО₂ поступает туда же за счет сведения и выжигания тропических лесов и окисления органического вещества почвы (гумуса).

Потепление климата ведет к таянию полярных льдов и повышению уровня Мирового океана. Глобальное потепление может вызвать смещение основных зон земледелия до нескольких сот километров на каждый градус изменения температуры. Кроме того, возможно изменение частоты и характера экстремальных воздействий на сельское хозяйство, обусловленных большими наводнениями, устойчивыми засухами, лесными пожарами и вредителями сельскохозяйственных культур. Существует, однако, и другое мнение относительно потепления климата. Группа ученых под руководством М. И. Будыко выяснила, что скорость образования карбонатных отложений в первом приближении пропорциональна количеству СО₂ в атмосфере. Приняв за основу это предположение, они рассчитали изменения концентрации СО₂ в атмосфере в фанерозое, т. е. в последние 570 млн. лет. Это означает, по данным М. И. Будыко, возврат к климатическим условиям конца третичного периода, т. е. на несколько миллионов лет назад. В то время климат был более теплым и влажным, растительности было больше, как из-за благоприятного климата, так и из-за повышенного содержания СО₂ в атмосфере. Таким образом, М. И. Будыко видит определенные положительные стороны глобального потепления климата.

Для решения проблем «парникового эффекта» прежде всего необходимы крупные изменения в мировой энергетике:

-сокращение потребления угля, замена его природным газом;

-развитие атомной энергетики;

-развитие альтернативных видов энергетики (ветровой, солнечной, геотермальной);

-всемирная экономия энергии.

На конференции в Рио-де-Жанейро в 1992 г. принята Конвенция ООН об изменении климата, основным положением которой являются международная координация и объединение усилий в борьбе с изменением климата и его неблагоприятными последствиями для планеты.

Проблема кислотных дождей

Еще одной экологической проблемой является повышение кислотности окружающей среды. Хотя кислотным дождям стали уделять внимание сравнительно недавно, специалисты скандинавских стран еще в 50-е годы отмечали эту опасность. Сам термин «кислотный дождь» существует уже более 100 лет; впервые его использовал британский исследователь Роберт Ангус Смит в 1882 г. Впервые проблема кислотных дождей стала предметом серьезного обсуждения на XXVIII Генеральной ассамблее Международного союза по теоретической и прикладной химии (ИЮПАК), проходившей в Мадриде в сентябре 1975 г. При изучении кислотных дождей нужно прежде всего ответить на два основных вопроса: что является причиной кислотных дождей и как они воздействуют на окружающую среду.

Ежегодно в атмосферу Земли выбрасывается около 200 млн. т твердых частиц (пыль, сажа и др.), 200 млн. т сернистого газа (SO₂), 700 млн. т оксида углерода (II), 150 млн. т оксидов азота (NO_X), что в сумме составляет более 1 млрд. т вредных веществ. Основными антропогенными источниками образования кислотных дождей являются соединения серы и азота.

Сера содержится в таких полезных ископаемых, как уголь, нефть, железные, медные и другие руды; одни из них используют как топливо, другие направляют с целью переработки на предприятия химической и металлургической промышленности. При переработке (в частности, при обжиге руд) сера переходит в химические соединения, например, в сернистый газ (оксид серы (IV)). Образовавшиеся соединения частично улавливаются очистными сооружениями, но основная масса выбрасывается в атмосферу. Соединяясь с парами воды, предварительно окисленный оксид серы (IV) образует серную кислоту.

Азот содержится в топливе многих видов ископаемых, например, в угле и нефти. Из антропогенных источников выделяется около 93% оксидов азота, главным образом в виде оксида азота (II), который в результате химических реакций в атмосфере превращается в оксид азота (IV), который и образует с водой азотную кислоту. И все же основными компонентами кислотных дождей являются серная и азотная кислоты; вместе с тем определенную часть их могут составлять хлороводород и фтороводород. Кислотные дожди (или, более правильно, кислотные осадки, так как выпадение вредных веществ может происходить как в виде дождя, так и в виде снега, града) наносят значительный экологический, экономический и эстетический ущерб. В результате выпадения кислотных осадков нарушается равновесие в экосистемах, ухудшается продуктивность сельскохозяйственных растений и плодородие почв, ржавеют металлические конструкции, разрушаются здания, сооружения, памятники архитектуры и т. д. Диоксид серы адсорбируется на листьях, проникает внутрь и принимает участие в окислительных процессах. Это влечет за собой генетические и видовые изменения растений.

В почве содержатся различные микроорганизмы: бактерии, актиномицеты или лучистые грибки, грибы, вирусы и др. Большинство из них перерабатывает лесную подстилку (гумусовый слой), улучшает структуру почвы, переводит органические соединения в усвояемые формы. С повышением кислотности почвы и образованием растворимых форм токсичных металлов активность микроорганизмов резко снижается. В своей эволюции живые организмы выработали приспособления к среде обитания, однако они могут нормально существовать только в определенном интервале рН. Изменение рН влечет за собой глубокие биохимические перестройки водных экосистем. Когда рН снижается до 6,5-6,0, погибают многие моллюски, ракообразные, гибнет икра земноводных. При рН равны 6,0-5,0 гибнут наиболее чувствительные планктонные организмы и насекомые, сиговые рыбы, форель, хариус, лосось, плотва, окунь и щука. При рН ниже 4,5 в воде озер вымирают микроорганизмы, развиваются анаэробные (бескислородные) процессы с выделением метана и сероводорода.

Кислотные осадки медленно, но верно растворяют сооружения из мрамора и известняка. Исторические памятники Греции и Рима, простояв тысячелетия, разрушаются прямо на глазах. Такая же судьба грозит и Тадж-Махалу - шедевру индийской архитектуры периода Великих Моголов, Тауэру и Вестминстерскому аббатству в Лондоне, Казанскому собору, Мраморному дворцу и Александро-Невской лавре в Санкт-Петербурге. На соборе Св. Павла в Риме слой портлендского известняка изъеден кислотными осадками на 2,5 см. В Голландии статуи на соборе Св. Иоанна «тают, как леденцы». Черными отложениями, этим «раком камня», изъеден Королевский дворец в Амстердаме. Существует опасность полной утраты многих произведений искусства в ближайшие 15-20 лет. В 1983 г. вступила в силу «Конвенция о трансграничном загрязнении воздуха на большое расстояние», в которой указано, что страны должны стремиться к ограничению и постепенному уменьшению загрязнения воздушной среды, включая загрязнения, выходящие за пределы своего государства. В июле 1985 г. в Хельсинки 20 государств Европы и Канада подписали Протокол о 30%-ном снижении выбросов оксидов серы на территории этих государств или их трансграничных потоков на территорию соседних государств. Проблема охраны атмосферного воздуха от загрязнений отражена и в Законе России об охране окружающей природной среды (1992 г.).

Отходы производства. Серьезнейшей экологической проблемой стали отходы промышленного и сельскохозяйственного производства. В настоящее время делаются попытки уменьшить количество отходов загрязняющих ОС. С этой целью разрабатываются и устанавливаются сложнейшие фильтры, строятся дорогостоящие очистные сооружения и отстойники. Но практика показывает, что они хотят и снимают опасность загрязнения, все-таки не решают проблему. Известно, что даже при самой, совершенной очистке, включая биологическую, все растворенные минеральные вещества и до 10 % органических загрязняющих веществ остаются в очищенных сточных водах. Воды такого качества могут стать пригодными для потребления только после многократного разбавления чистой водой. Ежегодный прирост водопотребления, при котором использованная вода безвозвратно теряется для природы, составляет 4-5 %. Очевидно, решение проблемы возможно при разработке и внедрении в производство совершенно новых, замкнутых, безотходных технологии. При их применении вода не будет сбрасываться в замкнутом цикле. Все побочные продукты будут не выбрасываться в виде отходов, а подвергаться глубокой переработке. Это создает условия для получения дополнительной нужной человеку продукции и обезопасит окружающую среду.

Выводы:

Таким образом, глобальные экологические проблемы – это загрязнения среды физическими, химическими, биологическими и другими агентами, обнаруживаемыми в дали от их источников и практически в любой точке планеты. Все эти загрязнения возникают в результате хозяйственной деятельности человека. В связи с этим во всех областях человеческой деятельности необходимо сформировать новое отношение к природе, разработать рациональное природопользование. Только тогда природо-сберегающие технологии будущего смогут решать экологические проблемы сегодняшнего дня перейти к гармоничному сотрудничеству с природой.

 

Контрольные вопросы.

1. Назовите основные различия понятий «Экологическая проблема» и «Экологический кризис».

2. Почему «современный экологический антропогенный кризис» называется «кризисом редуцентов»?

3. Объясните причины возникновения «парникового эффекта».

4. Почему разрушается «озоновый слой» Земли?

5. Из каких источников попадают в атмосферу оксиды серы и азота?

6. Как называется смесь дыма, тумана и пыли? Каковы экологические последствия ее присутствия в атмосферном воздухе.

7. Что называют «шумовым загрязнением»? Как оно влияет на здоровье людей?

8. Каковы техногенные источники ионизирующих излучении?

9. Какие отходы представляют наибольшую экологическую опасность для человека и биотических сообществ?

Методические рекомендации

Необходимо твердо уяснить, что одним из основополагающих принципов теории глобальной экологии должен быть принцип «неизбежности прогрессирующего антропогенного изменения природной среды».

В связи с тем, что проблемы глобального характера многообразны, в рамках лекционных занятий невозможно подробно рассмотреть все. Основные из глобальных экологических проблем, как истощение озонового слоя, парниковый эффект, кислотные дожди, отходы производства и антропогенные воздействия на биологические сообщества даются в лекционной форме. По проблемам биологического загрязнения, воздействия оружия массового уничтожения, радиоактивности в биосфере, и опустынивания нами предлагается материал для самостоятельного изучения. Они не сложные для самостоятельного изучения, не представляют трудности при работе с предложенным материалом, хорошо усваиваются и вызывают живой интерес у аудитории при обсуждении.