Структура экологии. Роль и значение геоэкологии.

ГЕОЭКОЛОГИЯ

 

Структура экологии. Роль и значение геоэкологии.

 

Геоэкология - раздел экологии, исследующий структуру и обменные реакции природных экосистем высокого уровня организации с целью оценки потенциальных последствий их развития на направленность эволюции и вероятные масштабы преобразования биологических систем при естественных и антропогенно-природных сценариях событий.

Следовательно, как наука, изучающая экосистемы высокого уровня, геоэкология сродни тому научному направлению, которое выделяется под названием глобальной экологии. А прикладные направления экологии, которые нередко еще относятся к задачам геоэкологии, следует рассматривать отдельно; в частности, в курсе техногенных систем и экологического риска.

Наиболее известная у нас схема структуризации экологии представлена Н.Ф. Реймерсом (1992).

Основа ее модифицирована нами следующим образом (рис. 1.1).

 

Концептуальная экология

 

ЭКОЛОГИЯ

 

Биоэкология Геоэкология Прикладная Социальная

 

Глобальная ….. Региональная Техногенные системы

экология ….. экология и экологический риск

 

Экология геосферы

Экология сред

Экология геофизических процессов

Экология физических процессов

Экология геохими- Ландшафтная Экологические

ческих процессов экология проблемы

Экология химичес- Экология концепции

ких процессов России устойчивого

Экотоксикология Экология развития

Экология стихий- Алтайского

ных естественных края

процессов

Палеоэкология

Демоэкология

Экология георесур-

Сов

 

Область исследования

· Изучение роли геосферных оболочек Земли в глобальных циклах переноса углерода, азота и воды.

· Влияние геосферных оболочек на изменение климата и экологическое состояние, дегазацию, геофизические и геохимические поля, геоактивные зоны Земли.

· Междисциплинарные аспекты стратегии выживания человечества и разработка научных основ регулирования качеством состояния окружающей среды.

· Природная среда и ее изменения под влиянием урбанизации и хозяйственной, в том числе горнодобывающей, деятельности человека: химическое и радиоактивное загрязнение почв, пород, поверхностных и подземных вод, возникновение и развитие опасных техноприродных процессов, наведенные физические поля, деградация криолитозоны, сокращение ресурсов подземных вод.

· Характеристика, оценка состояния и управление современными ландшафтами.

· Разработка научных основ рационального использования и охраны водных, воздушных, земельных, рекреационных, минеральных и энергетических ресурсов Земли

· Геоэкологический мониторинг и обеспечение экологической безопасности.

· Динамика, механизм, факторы и закономерности развития опасных природных и техноприродных процессов, прогноз их развития,

· Геоэкологическое обоснование безопасного размещения, хранения и захоронения токсичных, радиоактивных и других отходов.

· Геоэкологические аспекты устойчивого развития регионов.

· Технические средства, технологии и сооружения для прогноза изменений окружающей среды и ее защиты, для локализации и ликвидации негативных природных и техногенных воздействий на окружающую среду.

· Технические средства контроля и мониторинга состояния окружающей среды.

· Технические методы и средства безопасной утилизации, хранения и захоронения промышленных, токсичных и радиоактивных отходов.

· Методы и технические средства оперативного обнаружения, анализа причин и прогноза

 

Основные экологические понятия: экосистема, экосфера, ландшафты

 

Ландшафт.

"Геологический словарь" (1973): " Ландшафт - основная единица физико-географического деления - генетически единая территория, с однотипным рельефом, геологическим строением, климатом, закономерным сочетанием почв, растительных и животных сообществ". Очень близко к приведенному и одно из определений этого термина, данное в "Четырехъязыковом энциклопедическом словаре..." (1980): "Конкретная территория, однородная по происхождению и истории развития, обладающая единым геологическим фундаментом, однотипным рельефом, климатом, единообразным сочетанием почв, биоценозов и определенной структурой, т.е. закономерным сочетанием составляющих его морфологических частей - местностей, урочищ, фаций" (с. 222).

Экосфера - это "совокупность абиотических объектов и характеристика Земли, создающая на ней условия для развития жизни (т.е. биотоп биосферы)...", это - "синоним биосферы (редк., гл. об. в иностранной литературе...)" (Реймерс, 1990).

Принципиально отлично определение экосферы коллективом сибирских ученых: "Э косфера - поверхностная оболочка планеты, которая характеризуется варьирующими в широких пределах условиями жизнеобитания и жизнеобеспечения, задаваемыми космосолнечноземными связями" (Росляков и др., 1996).

Г.Н. Голубев (1999): " Экосфера представляет собой всемирную область интеграции геосфер и общества", "... экосфера – область взаимного проникновения и взаимодействия атмосферы, гидросферы, биосферы и верхней части литосферы". " Экосфера - целостная, внутренне связанная система, обладающая определенной устойчивостью по отношению как ко внутренним процессам, так и внешним воздействиям". И еще: "... относительно тонкая поверхностная оболочка, где пересекаются геосферы (атмосфера, гидросфера, литосфера и биосфера).

Экосистемы. Самое краткое и самое полное определения понятия экосистемы даны Н.Ф. Реймерсом (1994): - " пространственно ограниченное взаимодействие организмов и окружающей среды" и - "информационно саморазвивающаяся, термодинамически открытая совокупность биотических экологических компонентов и абиотических источников вещества и энергии, единство и функциональная связь которых в пределах характерного для определенного участка биосферы времени и пространства обеспечивает превышение на этом участке внутренних закономерных перемещений вещества, энергии и информации над внешним обменом и на основе этого неопределенно долгую саморегуляцию и развитие целого под управляющим воздействием биотических и биогенных составляющих".

 

Экодинамические законы экологии.

Своеобразны экодинамические законы, разработанные для целей экологии.

В живой природе отмечается стабильное сохранение информационной и соматической структуры, несмотря на некоторую смену их по ходу эволюции. Это было подмечено Ю. Гольдсмитом, развивающим идеи редукционистских "физических" подходов воззрения.

Согласно ему, первый закон экодинамики - закон сохранения структуры биосферы (информационной и соматической). Для сохранения этой структуры живое вещество стремится к экологическому равновесию, к состоянию зрелости.

Отсюда второй закон экодинамики - закон стремления к климаксу (близок к принципу сукцессионного замещения).

Третий закон - принцип экологического порядка, или экологического мутуализма (взаимный вид сожительства). Целое влияет на его части и обратно.

Четвертый закон - закон саморегуляции и самоконтроля живого вещества, проявляющегося в процессе адаптации к изменениям в окружающей среде. Он управляет каскадными и цепными процессами общего взаимодействия - в ходе борьбы за существование, естественного отбора и т.п. Результат действия этого закона - сохранение и развитие экосистем биосферы в целом.

 

Эвтрофикация вод.

Свое название это явление получило по высокой питательности вод, что зачастую связано с накоплением в водоемах биогенных веществ и, в первую очередь, N и Р. Часто это свидетельство глубоких антропогенных изменений в глобальных биогеохимических циклах этих компонентов, особенно в связи с сельскохозяйственной деятельностью с широким использованием минеральных удобрений. Оно уже затрагивает не только внутренние водоемы, но и прибрежные акватории морей. Прежде всего, это проявляется в «цветении вод» - широком развитии циановых водорослей, способных при их интенсивном развитии отравить воды выделяющими ими ядами, что резко сказывается на составе и количестве биоты.

Принципиальная направленность этого процесса – изменение круговорота органического вещества (ОВ), являющегося частью круговорота углерода. Одновременно эвтрофикация влечет и противоположный процесс - усиление минерализации ОВ и высвобождения C, N и P. При эвтрофикации водоемов усиливается интенсивность круговорота ОВ, возрастает скорость его продуцирования и деструкции, что определяется не только температурным фактором, но и высоким уровнем обеспеченности первичных продуцентов питанием. При ускорении круговорота ОВ в экосистеме может снизиться его запас и этим усиливается оборот питательных веществ и вынос их за пределы водоема - в атмосферу и речную сеть.

В глубинных водоемах водная толща не однородна: вверху находится зона фотосинтеза, внизу преобладают процессы деструкции ОВ. Поверхность дна изолируется оседающей органо-минеральной взвесью. Деструкция ОВ в подобных водоемах нередко даже превышает его продукцию и тогда в оборот биогенных элементов включается органическое вещество, которое ранее депонировалось в донные осадки.

В связи с этим идет переоценка эффективности действия многих гидротехнических систем в связи с негативными экологическими последствиями, но одновременно происходит еще и сооружение крупнейшего в мире водохранилища Три Ущелья на р. Янцзы в Китае и огромного Юго-Восточного Анатолийского гидрокомплекса в бассейнах рек Тигра и Евфрата в Турции.

Особенно это опасно в сочетании с засолением внутренних водоемов внутристочных областей и бессточных депрессий, которые занимают до 1/4 площади суши.

В 1966 г. ученый-вулканолог В.И. Владовец подсчитал общую численность действующих на Земле вулканов как около 600, с числом извержений за историческое время близким к 3500, и пришел к выводу об относительном нарастании интенсивности вулканической деятельности с течением времени. И в том же году американец Менард, анализируя материалы предшествующих океанологических исследований, провел первый подсчет вулканических построек на дне Тихого океана - 2000 и пришел к заключению, что только в этой акватории следует ожидать около 100000 вулканов высотой более 1 км. Это была научная сенсация.

Действительно, до этого считалось, что вследствие небольшого парциального давления паров воды на морских глубинах свыше 2000 м взрывные явления невозможны. Поэтому эксплозивная деятельность здесь должна полностью отсутствовать. Появились предположения, что в момент вулканического взрыва давление может достигать величин в несколько килобар. Тогда прежний теоретический запрет может быть снят и эксплозии становятся допустимыми на самых больших океанических глубинах.

Энергия вулканизма может выражаться в так называемой магнитуде, характеризующей количество затраченной энергии в логарифмической шкале, или, по почину венгерского геофизика Хедервари, - в эквиваленте атомных бомб, при принятой энергии одной атомной бомбы 8,4×10¹⁴ Дж, что соответствует 10-кратной энергии атомной бомбы, сброшенной на Хиросиму.

Землетрясения. В своем историческом развитии Земля могла проходить стадии роста и сжатия. Деформация твердой Земли осуществляется и под влиянием периодических регулярных изменений, в том числе через периоды порядка 12 и 24 ч под действием приливных сил. Фактически величина их соответствует значениям, вычисляемым с учетом допущения упругого поведения Земли. С годичной периодичностью происходит круговое движение полюса (чендлеровское колебание). Удлинение этого периода момента инерции Земли с теоретической величины 305 до фактической 430 обуславливается деформацией Земли в результате действия центробежных сил.

Медленное изменение напряжений, тектоническая ползучесть - крип - не является единственным типом образования дислокаций в горных породах Земли. Напротив, во время землетрясений осуществляется резкая разрядка накопленной упругой энергии в течении 1-10 секунд. Но за эти секунды может освободиться огромная энергия.

Наиболее ожидаемым фокальным механизмом землетрясений является образование сколов по дискретным поверхностям разломов, исходя из так называемой теории упругой отдачи Рида. Однако, среди землетрясений, помимо мелкофокусных (глубиной до 60 км), при которых выделяется более 75% сейсмической энергии, существуют промежуточные (60-150 км) и глубокофокусные (более 150). Но для них следует подразумевать какой-то другой механизм внезапного проявления тектоники, вплоть до закрытия сферических очагов, как, например, при глубоком землетрясении в Перу. Возможна в качестве исходной причины землетрясения и делатансия (расширение пород коры за счет трещиноватости).

Сейсмические волны, возникающие в очаге землетрясения, относятся к продольным (Р), поперечным (S) и поверхностным двух видов: Лява и Рэлея (горизонтальные колебания характеризуют те и другие, вертикальные - последние). Пункт зарождения землетрясения - фокус или гипоцентр, проекция его на поверхность - эпицентр.

Существуют шкалы относительной интенсивности землетрясений, из которых наиболее употребительна 12-балльная шкала Меркалли (ММ) - от ощущения толчков только при особо благоприятных условиях (1 балл) до полного разрушения строений (12 баллов). За магнитуду землетрясения принят десятичный логарифм амплитуды наибольшей сейсмической волны (в микронах), записанный стандартным сейсмографом Вуда-Андерсона на расстоянии 100 км от эпицентра землетрясения. Введен и другой теоретический параметр силы землетрясения - сейсмический момент - площадь поверхности разрыва, по которому произошло смещение, умноженная на величину этого смещения и на жесткость пород (дин×см).

Большинство эпицентров располагаются в пределах Тихоокеанского кольца, прослеживающегося по периферии океана, через Алеутскую дугу на севере вплоть до 40-х широт Южной Америки в восточном полушарии и до Новой Зеландии - в западном. В районе Зондской дуги от этого кольца отходит протяженная ветвь в виде широтного пояса через третичные горные сооружения Азии и Европы. Остальные высокочастотные землетрясения локализованы в виде очень узкой полосы вдоль срединно-океанических хребтов и выходящих на континент в системе Великих рифтов Африки.

 

Расход

Твердый сток (S) 20

Сток растворенных веществ (D) 3

Вынос ветром (V) 3

Вынос ледниками (I) 2

Вынос за счет абразии (А) 1

Сжигание горючих минеральных ископаемых (С) 6

Всего 35

Приход

Накопление продуктов вулканической деятельности (G) 1-2

Увеличение массы суши при процессах выветривания (W) 1

Биогенная аккумуляция (В) 1

Всего 4

Основную роль в сносе вещества с континентов играют текучие воды. Загрязненный речной сток составляет 4×10⁴ км³/год. Создается 13-58 биллионов тонн осадочного материала. 90% веществ, выносимых с суши, оседает в пределах мелководий.

Анализ стока наносов в 3600 реках мира, проведенный А.П. Дедковым и В.Т. Мозжериным (1984), показывает на значительное их увеличение в связи с антропогенной деятельностью.

Обмен химическими компонентами. Широчайшее развитие вулканических и гидротермальных сооружений на морском дне заставляет коренным образом пересматривать взгляды на роль и масштабы подобных воздействий на состав и соленость морских вод.

Характерным в этом отношении является случай мелководного донного извержения одного из Карымских вулканов в кальдере Академии Наук на Камчатке в 1996 г. Оно длилось всего менее суток, но по удельному выносу вещества и энергии было весьма интенсивным, а по воздействию на окружающую среду даже катастрофичным. Здесь в озере и вытекающей из него р. Карымской погибла вся биота. Произошло мгновенное закисление вод и насыщение их вулканическими газами. Еще 20 дней после извержения - 2.01.1996 г. температура вод была около 25 °С, тогда как перед извержением озеро было покрыто льдом. Извержение привело к резкому изменению солевого состава воды. Пресное озеро превратилось в бассейн с кислой водой хлоридно-сульфатного кальциево-натриевого состава.

Гальмиролиз. Взаимодействие гидросферы с литосферой проявляется также и в подводном выветривании, так называемом гальмиролизе. Осуществляется этот процесс на дне водоемов в результате взаимодействия соленых вод и горных пород. Ничего принципиально отличного от наземного выветривания здесь нет: в морской воде находятся те же самые агенты выветривания, но в иных соотношениях, и темп выветривания резко замедлен.

Подводному выветриванию подвергаются преимущественно породы, не перекрытые рыхлыми осадками. Это районы срединноокеанических хребтов, рифов, подводные вулканические горы, океанические впадины.

Выделяется 4 стадии изменения основных горных пород - базальтов, извергающихся преимущественно в осевых частях срединноокеанических хребтов:

1) консолидация базальтов - изменение базальтов в температурной вилке от изливающегося расплава до температуры океанических вод;

2) собственно гальмиролиз - холодный контакт с морской водой на поверхности дна;

3) активное окисление - изменение базальтов, происходящее не на поверхности дна, а в базальтовом фундаменте;

4) гидротермальных изменений - дальнейшего преобразования базальтов при погружении в глубину и разогреве в тепловом поле геодинамически активных разломов.

В результате гальмиролиза минералообразование сказывается в появлении пленки гидроокислов железа, марганца, филлипсита, смектитов (глинистых минералов группы монтмориллонита). Базальты поглащают К из морской воды и теряют часть Са и SiO₂. На стадии активного окисления под влиянием разогретой морской воды (в условиях повышенных температур) продолжается интенсивное окисление и гидратация минералов вдоль трещин с образованием гидроокислов Fe, Mn, смектитов, филлипсита. Глубина активного окисления около 300 м, температурные условия - до 50-80 С.

Цунами. Сейсмогенные морские волны - цунами - отличаются по своим динамичным характеристикам от всех других волн. По длине волны они значительно превосходят все морские волны, расстояние между гребнями у которых обычно менее 100 м; у цунами же оно достигает 100 км. В глубоководной части океана скорость цунами может превышать 700 км/ч. На мелководье фронт волны искривляется за счет гашения скорости на мелких пляжах и волны проникают в бухты. С приближением цунами морское побережье может вначале оголиться. Так называемый бор - водяная стена при высоком приливе в заливе или устье реки может достигать 20 м и более. Цунами вызываются землетрясениями (моретрясениями), но могут быть в отдельных случаях обуславливаться и крупными сейсмогенными оползнями.

В открытом море высота цунами обычно менее 1 м и при наблюдениях с кораблей, находящихся в море, ее нельзя обнаружить. Скорость волны уменьшается с уменьшением глубины моря

v=Ö`gd,

где g - ускорение силы тяжести (980 см/с²), d - глубина вод.

Поэтому скорость распространения волн цунами в средней части Тихого океана (глубина до 5 км) не превышает 700 км/ч. На мелководье скорость резко замедляется, но во много раз возрастает амплитуда волны (до 25 м).

От цунами во время знаменитого Лиссабонского землетрясения 1.XI. 1755 г. погибло до 60 тыс. человек из 235 тыс. проживавших тогда в городе. Высота волн была, по рассказам, на 5 м выше самого максимального уровня прилива. Волны наблюдались по всему Атлантическому океану.

 

Фото- и хемосинтез.

Фотосинтез. Основой жизнеобеспечения на Земле является, главным образом, фотосинтез. Он представляет собой "изумительно совершенный" механизм преобразования световой энергии в сахара (углеводы), которые являются основой питания всех живых организмов. Под воздействием энергии коротковолновой части солнечных лучей хлорофилл – сложное соединение С, Н, Mg и N - адсорбирует и разлагает молекулы воды. При этом водород, соединяясь с углеродом и другими химическими элементами, образует углеводы, а кислород выделяется в атмосферу. В синтезе участвуют и небольшие количества минеральных веществ почвы. Этот процесс значительно совершеннее, чем технологии любого современного промышленного производства. Поэтому все происходит без отходов и загрязнений. Последующие процессы биосинтеза приводят к образованию протеинов и липидов.

Процессу фотосинтеза противоположен идущий одновременно процесс дыхания: выделение углекислого газа и образование в качестве конечных продуктов воды и полезной энергии. Таким образом, вода и углерод - вещества, связанные в начале процесса фотосинтеза, в конце его высвобождаются, а кислород, выделившийся прежде, теперь вновь адсорбируется.

От правильности функционирования этих двух механизмов - круговорота кислорода, вкупе с меньшими по объемам круговоротами азота, серы и фосфора,- зависит на Земле вся дыхательная жизнь растений и животных.

Природа действует экономно.

6 СО₂ + 6 Н₂О

днем ночью

(солнечная (теплоотдача

энергия) энергии)

С₂Н₁₂О₆ + 6 О₂

(глюкоза)

Также растительный покров расходует и водные ресурсы. Продуктивность транспирации (отношение прироста веса сухой массы растений к расходу воды на транспирацию за определенный промежуток времени) обычно составляет от 1/200 до 1/1000. Это и естественно, поскольку транспирация представляет собой механизм замедленного, но равномерного тока привноса вещества путем диффузии в виде интенсивно разбавленных растворов.

Орган ассимиляции фотосинтезирующего растения - лист - представляет собой футляр из плотной катикулярной ткани, пронизанной массой мелких отверстий - устьиц, которые открываются и закрываются. В футляре находится большая поверхность хлоропластов, содержащих зерна хлорофилла. Для процесса фотосинтеза с ассимиляцией углекислоты необходима влажная растворяющая среда. Диффузия углекислоты сопровождается обратной диффузией водяного пара. Поэтому растения обычно и используют небольшую часть возможного диффузионного притока углекислоты. При усвоении 1 г углекислоты растение в среднем теряет путем транспирации около 360 г воды.

Передача энергии от первичной биологической продукции к более высоким уровням экологической пирамиды сопровождается ее потерями. Отношение биомассы организмов к количеству потребляемого ими органического вещества обычно не превышает 10-20%. В природных системах с одного трофического уровня на другой, более высокий переходит в среднем не более 10%.

В обычных условиях энергия фотосинтеза медленно отдается в атмосферу, практически почти не влияя на метеорологические процессы. Но это весьма заметно при крупных пожарах, когда энергия фотосинтеза быстро превращается в тепло и метеорологические условия быстро меняются.

Хемогенез. Свыше 110 лет назад русский микробиолог С.Н. Виноградский открыл хемосинтез - образование некоторыми бактериями органических веществ из двуокиси углерода за счет энергии, получаемой путем окисления восстановленных неорганических соединений. Как известно, обычно за единственный процесс формирования органических веществ считался фотосинтез, идущий с использованием солнечной энергии. Исследования дна океана за последние десятилетия позволили выделить в многочисленных зонах спрединга и субдукции литосферных плит, зонах теплового разложения газогидратов и т.п. множество участков, населенных специфическими сообществами донных организмов, существующих на основе хемосинтеза.

Следовательно, все население Мирового океана по происхождению делится на фотобиоз и хемобиоз. Сообщества хемобиоза всегда крайне ограничены по площади. Но биомасса здесь вместо обычных граммов достигает 40-60 кг/м². Уже описано более 15 новых семейств и более 160 новых видов организмов.

Л.Лобье предполагает наличие на дне моря подповерхностных полостей, где могут быть обнаружены новые для науки живые организмы.

Близится к завершению еще один грандиозный проект, предпринятый более четверти века назад. Обсуждается вопрос о завершающей стадии бурения мощной толщи льда в районе антарктической станции "Восток", где вероятно существование подледного озера. К зиме 1996 г. глубина скважины достигла 3350 м и вскрыла льды возраста около 420 тыс. лет. Керн этой скважины содержит данные об истории глобальных изменений климата Земли на протяжении последних четырех ледниково-межледниковых циклов.

Мощность ледникового покрова здесь равна 3700-4200 м. В 1970-х гг. с помощью радиозондирования здесь выявлены крупные скопления подледных вод.

Это совершенно новое для нас природное явление, которое является географическим открытием мирового значения.

 

ГЕОЭКОЛОГИЯ

 

Структура экологии. Роль и значение геоэкологии.

 

Геоэкология - раздел экологии, исследующий структуру и обменные реакции природных экосистем высокого уровня организации с целью оценки потенциальных последствий их развития на направленность эволюции и вероятные масштабы преобразования биологических систем при естественных и антропогенно-природных сценариях событий.

Следовательно, как наука, изучающая экосистемы высокого уровня, геоэкология сродни тому научному направлению, которое выделяется под названием глобальной экологии. А прикладные направления экологии, которые нередко еще относятся к задачам геоэкологии, следует рассматривать отдельно; в частности, в курсе техногенных систем и экологического риска.

Наиболее известная у нас схема структуризации экологии представлена Н.Ф. Реймерсом (1992).

Основа ее модифицирована нами следующим образом (рис. 1.1).

 

Концептуальная экология

 

ЭКОЛОГИЯ