Раздел 5 Глобальные проблемы окружающей среды

Проблема экоразвития была сформулирована на конференции ООН по окружающей человека среде (Стокгольм, 1972). Впервые была декларирована необходимость "Экологически ориентированного cоциально - экономического развития, при котором рост благосостояния людей не сопровождается изменением состояния среды обитания и деградацией природных систем". Целью экоразвития декларировался экологически ориентированный прогресс для настоящего и будущих поколений при сохранении существующего эволюционного типа развития биосферы. Проблема экоразвития является важнейшей проблемой, которую решает человечество в сложнейшей биосоциальной системе в условиях жесткой взаимосвязи и взаимного влияния экологии и экономики. Эта взаимосвязь дает сложный комплекс причин, следствий и кризисных ситуаций, обусловленных все возрастающим негативным влиянием антропогенного фактора на окружающую среду (ОС) и обратным давлением ОС на человеческую популяцию и созданную ею техносферу и биоту вообще.

Глобальные проблемы экоразвития определяются пятью основными факторами, сформулированными ведущими системными аналитиками экоразвития.

1. Быстрый рост народонаселения.

2. Производство продуктов питания.

3. Индустриализация.

4. Истощение ресурсов.

5. Ухудшение качества ОС.

Причем экспоненциальный рост первого фактора - народонаселения предполагает рост каждого из трех последующих факторов по более крутым экспонентам, что в свою очередь приводит к возрастанию экологической нагрузки, превышению способности ОС к самоочищению, к ухудшению качества и деградации ОС. В этом случае декларируемые цели и критерий экологической целесообразности позволяет говорить об экологически ограниченном развитии.

Большинство лимитирующих факторов и проблем развития было определено по данным критических ситуаций, т.е. в пост-периоде после фактического воздействия и обнаружения негативного эффекта. Между воздействием и конечным проявленным эффектом наблюдается иногда большое время задержки и накопления эффекта воздействия, в период которых объект воздействия также мог претерпеть во времени существенные изменения. Рассматривая проблемы экоразвития в первую очередь выделяют основные детерминирующие факторы экоразвития и тенденции их изменения во времени.

Соотношение факторов 1-3 и темпов их роста в какой-то степени напоминают соотношение различных трофических уровней и передачу энергии между уровнями. Для развития каждого последующего уровня фактора (например, рост населения) необходимо иметь несколько больший уровень или темпы роста на предыдущем (например, производство). Общий уровень развития производства характеризуется экспоненциальной тенденцией, такой же тенденцией определяется и удельное производство на душу населения. Факторы 1-3 связаны с увеличением антропогенной и техногенной нагрузки на ОС и сопровождаются загрязнениями или негативными воздействиями на ОС. Основной задачей подобных системных исследований является моделирование и программирование динамики развития сложнейшей биосоциальной системы с целью обнаружения узких предкритических мест (бифуркаций) процесса развития, которые могут привести к кризисным ситуациям, и выявление возможных и оптимальных способов управления для предотвращения возникновения подобных ситуаций.

При рассмотрении систем высшего ранга, для которых характерен принцип эмержентноти, т.е. невозможноть прогнозирования систем высшего ранга на основе аддитивности свойств систем низшего ранга возникают существенные трудности при однозначной трактовке ситуаций, неопределенность целей, критериев, а также эффектов управления системой.

Почти без всякой натяжки в последнее время можно говорить о своеобразном "кологическом императиве" - доминировании экологии над экономикой в таких важнейших областях как ресурсы и темпы их расходования, формирование прибыли и стоимостных показателей товара, стратегии развития мирового сообщества и даже стратегии взаимодействия силовых структур в этом сообществе.

Глобальное прогнозирование весьма сложная интегрированная междисциплинарная задача, конечной целью которой является обеспечение устойчивого развития человеческого общества в биосфере с учетом экологических, экономических и социальных факторов в их сложнейшей взаимосвязи для настоящего и будущих поколений.

Методы глобального прогнозирования относятся к классу поисковых прогнозов, которые отличают отсутствие заранее заданных критериев, целей и нормативов, а также неопределенностью и изменяемостью во времени. Для получения поискового прогноза используются общенаучные методы, экспертные оценки и системы, экстраполяция, системное моделирование.

Для реальных природных процессов следует отметить и сложную природу параметров, включающих не только детерминированную составляющую- определенную по расчету, причины и механизмы изменения которой во времени известны, но и вероятностную составляющую. Вероятностная составляющая описывается в процессе изучения объекта прогноза и закономерностей его развития и в свою очередь может быть осложнена чрезвычайно трудно оцениваемой случайной составляющей.

Комплексные глобальные экологические прогнозы имеют целью оценить перспективы состояния природной среды и природных ресурсов, динамики роста населения и обеспечения его продуктами питания и потребительскими товарами и услугами, удовлетворяющими декларируемые потребности, динамическое состояние ОС и влияние на нее человеческой популяции и созданной человеком техносферой.

Применяя понятийный аппарат экологии основной задачей является определение лимитирующего фактора (или группы факторов) экоразвития. Глобальное моделирование сложных систем может дать определенную информацию об интервалах безопасного варьирования факторов и возможность управления их изменениями.

Эти проблемы положены в основу ряда международных документов, определяющих глобальную политику в области защиты ОС и рационального природопользования: декларации по окружающей среде и развитию и ряду международных конвенций о биологическом многообразии, изменении климата, сохранения устойчивого развития всех видов лесов и наконец конвенции о взаимном доступе к передовым природозащитным технологиям, обеспечивающим сохранение природной среды.

В начале девяностых годов была впервые сформулирована глобальная цель стратегии экоразвития - устойчивое развитие. Под "устойчивым развитием понимается удовлетворение человеческих потребностей и стремлений не только в настоящем времени, но и необходимость не ставить под угрозу удовлетворить собственные потребности будущих поколений". В философском смысле речь идет о создании НООСФЕРЫ - сферы человека разумного в основных аспектах долговременного природопользования.

В зависимости от уровня развития социально- экономической системы концепция устойчивого развития приобретает ряд специфических национальных, региональных и временных аспектов. С учетом этих аспектов разрабатываются специфические региональные концепции перехода на модель устойчивого развития (КПМУР), которая обобщает другие национальные программы, включающие концепции технического развития, безопасности, защиты и охраны ОС, рационального природопользования и ряда других. Поскольку КПМУР затрагивает интересы граждан соответствующего государства, то скорее всего является политическим вопросом, а не вопросом конкретной науки.

Фактически в области экоразвития решается основной вопрос: сможет ли человек как вид доказать свои возможности - выйти из под пресса естественного отбора, реализуя знание законов природы и интеллектуальный потенциал или будет вынужден подчиниться жестким законам экологии, регулирующим жизнедеятельность в биосфере и жестко отрицающим принципы антропоцентризма.

Краткий очерк прогнозов экоразвития

Основные глобальные проблемы биосферы и земной цивилизации вообще имеют в своей основе широко известную экологическую ситуацию с ростом популяций в экологической нише различной степени заполнения и изменением стратегии выживания от r-стратегии экстенсивного экспоненциального роста, когда большая часть энергии, получаемой популяцией, используется для быстрого роста численности к k-стратегии ограниченного роста (интенсивное развитие), когда энергия вида направлена на совершенствование приспособительных адаптационных механизмов и связей, обеспечивающих наилучшее выживание в условиях заполненной экологической ниши.

Для человеческой популяции конфликтные и кризисные ситуации, которые при этом возникают, обуславливаются не только ростом численности популяции, но и возрастанием негативного воздействия на биосферу, созданной человеком техносферы. В начальный период развития за счет самоочищающейся функции биосферы имеется возможность поглощения и ассимиляции негативных воздействий без существенных изменений состояния биосферы.

Первая негативная тенденция ограничения развития наблюдается на определенном этапе при превышении буферной емкости природных систем следствием чего является существенное изменение качества ОС, которое обратным давлением воздействует на все элементы ОС.

Вторая негативная тенденция ограничивает темпы развития по ресурсному показателю. Темпы развития могут падать по сценарию истощения ресурсов вследствие слишком высоких темпов расхода возобновимых и невозобновимых природных ресурсов и их истощения.

Осознание этих проблем приводит к постановке двух чрезвычайно сложных прогностических задач.

1. Определение пределов роста.

2. Разработка и стратегии поведения "человека разумного" за пределами роста для обеспечения сохранения функций биосферы и устойчивого будущего развития.

Собственно этому посвещены труды системных экологов и экономистов, работающих в области рационального природопользования.

Одним из первых предупреждений о потенциально возможной кризисной ситуации была книга английского священника Томаса Мальтуса "Опыт о законе народонаселения" (1798). На примере демографического анализа тогдашних английских колоний в Северной Америке были сделаны вполне справедливые для ситуации того времени выводы о доминировании темпов роста населения (геометрическая прогрессия) над возможными темпами роста продуктов питания (арифметическая прогрессия). Впервые был сделан вывод о неизбежности ограничения численности населения в предверии возможных негативных воздействий и катастроф - голода, эпидемий и войн и были отмечены основные экологические тенденции роста человеческой популяции в незаполненной экологической нише в доиндустриальный период.

С того времени научно-техническая революция привела уже к доминированию техногенного вклада в свою очередь, ограничивающему плотность и численность населения через разнообразные механизмы негативных и токсических воздействий.

Закон народонаселения Мальтуса охватывает лишь первые две фактора (рост населения и производство продуктов питания) по сценарию доиндустриального или раннего индустриального общества.

Уже в исследованиях Гудзоновского института "Развитие мира в последующие 200 лет" (1967-1971, Г. Кан, В. Браун, Л. Мартель) рассматривались возможные сценарии развития по уровням экономического развития общества и динамике формирования потребностей: доиндустриальное, индустриальное, сверх индустриальное и постиндустриальное общество, а также четыре основных типа экономической деятельности.

К первичному типу относятся добывающие отрасли, сельское хозяйство, лесоводство, рыболовство. Начальная стадия урбанизации предполагает отношение сельского населения к городскому в пределах 20:1.

Вторичная экономическая деятельность предполагает развитие строительства и обрабатывающей промышленности. Уже на этой стадии для общества и культуры характерно доминирование городского типа.

Третичный тип характерен для постиндустриального общества и определяется развитием сферы услуг, обеспечивающих первичный и вторичный типы. Этот тип деятельности предполагает развитие транспорта, страхования, системы финансирования, управления, образования и подготовки квалифицированной рабочей силы.

Наконец в ХХI веке предполагался переход общества к постиндустриальной экономике - четвертичному типу деятельности. Этот тип предполагает все меньшую долю первых трех и большую долю, направленную на удовлетворение собственных интересов человека, которые в настоящее время относятся больше к категории досуга. Этот период, подготовленный четырьмя столетиями развития предполагает переход от образа жизни, доминирующего над человеком к образу жизни, подчиненному его интересам.

Результирующий прогноз крайне оптимистичен - прогрессивное развитие для многих будущих поколений, хотя и с некоторым возможным снижением темпов.

К настоящему времени опубликовано более десяти глобальных прогнозов и моделей роста. Наиболее известны "Пределы роста" (1972 г., Дон. Медоуз, Ден. Медоуз, Д. Рандерс), "Человечество на поворотном пункте" (1974 г., М. Месарович, Э. Пестель), "Латиноамериканская модель" (1974 г., А.О. Эррера), "Глобальные ограничения и новый взгляд на развитие" (1974 г., Я. Кайа, Ч. Сузуки), "Модель питания для удвоенного населения мира" (1975 г., Х. Линнеман), "За пределами века расточительства" (1976 г., Д. Габор), модель SARUM (1976 г., П. Робертс), "Сценарий для Америки и всего мира" (1976 г., Х. Кан, В. Броун, Л. Мартель), "Будущее мировой экономики" (1979 г., В. Леонтьев), "Мир в 2000" (1980 г., В. Леонтьев и др.), " За пределами роста " (1992 г., Дон. Медоуз, Ден. Медоуз, Д. Рандерс).

Наибольшее общественное внимание привлекли "алармистские прогнозы", предостерегающие от кризисных ситуаций ОС и стимулирующие общественный интерес к этим проблемам. Самый жесткий прогноз по фактору ухудшения качества ОС получен Медоузами и Рендерсом ("Пределы роста",1972) и сформулирован в трех основных выводах.

1. Сохранение современных тенденций роста населения мира, темпов роста индустриализации и загрязнения ОС, а также темпов расхода ресурсов приведет к достижению пределов роста приблизительно к 2072 г. Практическими последствиями станет неконтролируемое снижение населения и падение объема производства.

2. Изменение существующих тенденций природопользования может создать условия экологической и экономической стабильности и обеспечить состояние глобального равновесия.

3. При выборе второго варианта успешность его зависит от времени начала изменений современных тенденций, чем быстрее начало, тем больше шансов на успех.

Этот наиболее печальный прогноз вернее результаты глобального моделирования, сделанные как доклад знаменитому Римскому клубу.

Более поздние прогнозы Месаровича и Пестеля на моделях сложных многоуровневых иерархических систем с включением взаимосвязи социальных и политических процессов и экоразвития дали более оптимистическую картину перспектив изменения состояния ОС. Проблема загрязнения ОС прогнозируется как технически управляемая и не ставит серьезных барьеров для экономического развития. Большинство исследователей пришли к идентичным выводам, что миру угрожает не глобальная экологическая катастрофа, а длительный растянутый во времени стресс с серией разнообразных региональных кризисов экологических, демографических, энергетических и продовольственных.

Проблема роста населения

При рассмотрении этого основного возмущающего фактора экоразвития следует возвратиться к основным ранее рассмотренным закономерностям популяционного анализа и динамики роста популяции. Рост популяции описывается двумя альтернативными дифференциальными уравнениями - экспоненциальным и логистическим:

dN/dt =rN, dN/dt=rN (1- N/K).

Логистическое уравнение является более общим и включает экспоненциальное как частный случай, когда коэффициент N/K--->0. На рисунке представлены типовые зависимости численности вида во времени по различным сценариям.

Кривая экспоненциального роста, иначе называемая кривой биотического потенциала вида, отражает ситуацию максимальных темпов роста в нестабильной изменяющейся ОС.

Эта ситуация наблюдается в молодых по возрасту экосистемах или в мало заполненных экологических нишах, когда N<<K. Темпы роста популяции определяются величиной биотического потенциала r. При сравнении величин биотического потенциала различных видов более часто используют собственно величину r (изменяющуюся от 0,00 до 6·1e9 особи в год) или время удвоения численности популяции, при этом время удвоения для различных видов изменяется от дней до сотен лет. Следует отметить, что в природе даже виды с громадным биотическим потенциалом и периодом удвоения численности порядка 10-15 дней не смогли преодолеть механизмы и законы, тормозящие рост численности популяции при подходе величины N к критическому или оптимальному уровню. За этим рубежом экспоненциальный рост замедляется и в силу вступает логистическое асимптотическое уравнение с его ограничениями вида по численности.

Возможности человека как биологического вида при экспоненциальном росте в рамках экологических закономерностей весьма скромны. Так, для человеческой популяции в ХХ веке время удвоения оценивается около 30-40 лет при относительно малой величине биотического потенциала в среднем 0,01-0,03.

В настоящее время не только для экологов ясна экологическая целесообразность негативных воздействий и факторов при экспоненциальном росте численности популяции. Именно эти воздействия и образуют систему отрицательных обратных связей и уменьшает амплитуду отклонения системы от оптимального состояния. К таким факторам в природе следует отнести естественных врагов и хищников, поддерживающих и регулирующих санитарное состояние популяции жертвы в процессе естественного отбора. При этом физическое уничтожение отдельных особей, например, слабых, больных или имеющих изменения, не проходящие жесткие рамки естественного отбора, является экологически целесообразным и полезным для популяции в целом. Как видно из изложенного экологические механизмы стабилизации численности вида весьма разнообразны, жестки и совершенствуются по мере повышения уровня организации сообщества. В природе это решается в пользу интересов вида как носителя генофонда зачастую в ущерб интересам отдельной особи. При переходе на следующий уровень от вида к сообществу в аналогичной ситуации принцип эмержентности проявляется в явном виде. При этом уже нельзя говорить о положительном эффекте исчезновения вида для сообщества, поскольку это противоречит принципу сохранения видового разнообразия, поскольку именно вид, а не особь является носителем генетической информации.

Логистическое уравнение предполагает определенный предел численности вида, соответствующий критическому или оптимальному уровню численности K. При увеличении численности вида величина N увеличивается, а коэффициент N/K возрастает (от 0 до 1). Этот коэффициент характеризует сопротивление ОС росту численности популяции. На начальном этапе изменений от Nо до K величина сопротивления невелика, затем возрастает во времени до максимума при приближении N-->K. Определенную информацию о нахождении в этой зоне риска дает дифференциальная величина скорости роста и тенденция ее изменения (увеличение или уменьшение).

Если влияние ограничивающих факторов невелико или растянуто во времени возможен сценарий 2 "overshoot" - переход за экологически целесообразные пределы, после которого популяция претерпевает стрессовое воздействие и численность популяции может упасть до минимума или даже она вообще исчезнуть. Факторы, снижающие численность популяции по сценарию 2 вблизи максимума, можно считать положительными для популяции в целом. Таким образом, основные положения теории Мальтуса находят адекватные иллюстрации в фундаментальных законах динамики развития популяции. Если постулировать, что K - неизменно, то кривая выходит на предел критической численности или превосходит его, создавая в конечном итоге стрессовую ситуацию для популяции.

Ситуация представляется достаточно тупиковой при постулировании неизменности величины K, характеризующей в основном максимально возможный уровень потребления ресурса. Однако даже для чисто экологических ситуаций в жесткой трофической цепи возможны определенное увеличение K, связанные с изменением и расширением объектов трофической цепи, оптимизацией добычи и усвоения пищи, устранением или снижением величины негативных факторов, врагов, паразитов или другой адаптацией к существующим условиям. Примером этого являются поистине поразительные адаптационные механизмы северного оленя, способность некоторых животных усваивать растительную клетчатку, способность регулировать водный обмен у представителей растительного и животного мира пустыни, тысячекилометровые сезонные миграции птиц для регулирования трофической цепи в период воспроизводства, нерестовый ход рыб и много других хитростей выживания, встречающихся в природе.

Аномальные адаптационные резервы человеческой популяции и ее выход из-под жестких закономерностей естественного отбора виден по соотношению численность вида - масса особи. При этом численность вида на четыре порядка превышает экологически оптимальное соотношение для видов млекопитающих.

При переходе к более сложным динамическим процессам по мере усложнения иерархической структуры в биоте появляются более сложные системные механизмы адаптации. Таким примером в экологии является динамика смены экосистем при заполнении экологической ниши. Возьмем динамику заполнения экологической ниши для примера пустоши по типу доминирующих автотрофов. Экосистема пустоши заполняется доминирующим автотрофом растительностью типа рудералов (странников). Это обычно неприхотливые растения (типа сорняков), обладающие высокой способностью к распространению и высоким биотическим потенциалом. Под их воздействием формируется соответствующая первичная экосистема. Затем по мере накопления питательных веществ и формирования почвы им на смену приходят стресс-толеранты - кустарники и многолетние травы - и, наконец, появляются наиболее устойчивые растения с большой постоянной биомассой (лесные системы) - конкуренты, способные обеспечить существование устойчивых сообществ во все времена года и создать стабильную среду обитания. За счет многообразия видов подобные сообщества обладают большей устойчивостью и обеспечивают первичный автотрофный уровень для сложных развитых экосистем.

В популяциях высших растений и животных, хорошо адаптирующихся к условиям существования и имеющих сложные жизненные циклы могут проявляться задержки и ослабления отрицательных обратных связей во времени, своеобразное запаздывание действия лимитирующих факторов - тогда кривая может перейти критическую численность. Эта ситуация особенно вероятна, когда интенсифицируются какие-либо механизмы снижения смертности.

В этом случае ситуация описывается модифицироваными логическим уравнением:

dN/dt = r N(t-t1) [(K- N(t-t2))/K]

учитывающим время до начала прироста при благоприятных условиях (t1) и время начала изменений рождаемости и смертности в неблагоприятных условиях (t2).

Именно такая ситуация оказывается наиболее вероятной для человеческой популяции при негативных воздействиях с отдаленным эффектом. При этом время задержки эффекта может существенно превышать время жизни поколения, как это наблюдается для ксенобиотиков, обладающих мутагенным действием. Обеспечение безстрессового перехода в этой критической ситуации и является основой планирования устойчивого развития человеческого общества, чтобы избежать включения жестких механизмов обратной связи регуляции численности человеческой популяции по Мальтусу, явно стрессовых и не желательных с антропоцентристской точки зрения.

Большое значение для выживания вида имеет выбираемый тип стратегии выживания ( r- или k-стратегия ). Выбор r-стратегии целесообразен, когда давление отбора благоприятствует видам с большим репродуктивным потенциалом, при этом большая часть энергии направляется на размножение и вид выживает за счет численности. Обычно такая стратегия характерна в неустойчивой и ненасыщенной среде обитания, подверженной частым или сезонным стрессам, а также в молодых по возрасту или слабоорганизованных системах.

В случае k - стратегии большая часть энергии вида направляется на адаптацию, конкуренцию и присобительные механизмы. Эффективность этой стратегии выживиния характерна для зрелых экосистем с устойчивой или умеренно изменяющейся средой, когда "непредсказуемость" среды мала. Очевидно, эта стратегия может обеспечить сохранение существующего эволюционного типа биосферы, в которых возник и существует человек как вид.

В пределах k-стратегии существует эффективный механизм выживания, характерный для видов, подпадающих под принцип Олли ("принцип безопасных поселений"), когда выживаемость и иногда его численность вида экстремально зависит от плотности популяции. Выживаемость максимальна при оптимальной плотности населения и снижается как при пере-, так и при недонаселении. Подобные начала групповой или территориальной социальной организации, когда особи некоторых видов получают существенные преимущества при агрегации, объединении в группы характерны для пчел, термитов, муравьев, колониальных птиц и больше всего для скворцов и людей. Подобные группы обладают большими возможностями для защиты, обнаружения и использования ресурсов и изменения микросреды обитания приносило определенные преимущества перед неагрегированными особями.

По темпам роста населения и его плотности в современном мире выделяются не менее четырех типовых зон, достаточно разнородных по социально - экономическому уровню.

1. Европа, Япония - высокая плотность и малый прирост.

2. Россия, Северная и Южная Америки, Океания - низкая плотность и малый прирост.

3. Африка, Ближний и Средний Восток, Центральная и Тропическая Африка - низкая плотность и быстрый рост.

4. Индия, Китай, Юго - Восточная Азия - высокая плотность и быстрый рост.

Тенденции роста в первой и четвертой зонах, характеризующихся различными уровнями социально - экономического развития, носят противоположный характер. Безусловно, общие усредненные показатели плотности и роста могут иметь внутри зоны весьма большой разброс. Так, время удвоения населения для США - 63 года, в то время как в Мексике и Латинской Америке около 21 - 24 лет. По России при средней плотности 12,8 чел. на км² интервал варьирования плотности еще выше от 130 до 0,02 чел. на км².

Для стран первой зоны (Германия, Швеция, Австрия) достигается стабильность в численности населения, при этом величины абсолютного прироста невелики < 0,5 % и близки к простому воспроизводству ( 2,1 - 2,3 ребенка в среднем на

семью).

Для стран четвертой зоны, с тенденцией к перенаселению и относительно большим приростом населения наиболее остро встают демографические и продовольственные проблемы, а также проблемы ухудшения качества ОС. Такими примерами может служить КНР, Индия и ряд других стран этого региона. Перед этими странами стоят задачи планирования семьи и создания эффективных продовольственных и экологических программ. Как видно для зон с различным уровнем социально - экономического развития наблюдается большая специфика в постановке и остроте демографической проблемы.

Наиболее простые экологизаторские подходы позволяют прогнозировать отсутствие бесконечно долгого экспоненциального роста численности вида в ограниченной экологической нише. Реальной задачей является минимизация или снятие острого стресса, к которому может привести фактор быстрого неуправляемого роста населения по сценарию 2. При этом основной надеждой являются возможности человека как вида, познающего законы развития.

Первая из них - это адаптационные возможности человечества, которые cущественно выше, чем у большинства биологических видов и в значительной мере зависят от наиболее полного использования интеллектуальных ресурсов, присущих человеческому обществу. Именно эти ресурсы позволят не только оценить K - пределы, но и увеличить эти пределы за счет достижений в социально-экономической сфере.

Высокая и совершенствующаяся социальная организация человеческого общества является важным потенциальным фактором сдерживания и регулирования проблем критического увеличения численности, и обеспечения роста валового национального продукта на душу населения.

11.4. Ресурсные проблемы экоразвития

Ресурсные проблемы являются второй по значимости группой проблем, лимитирующих экоразвитие. Метафора "конечного пирога" применительно к земным ресурсам на первый взгляд полностью определяет и ограничивает перспективу и темпы экоразвития, особенно при долгосрочных прогнозах.

Подобная проблема существует и в природе уже для простых экосистем и сообществ. При этом ограниченность первичных ресурсов в трофических цепях успешно преодолевается сложной организацией круговорота макро- и микробиогенных элементов, соотношением численности и эффективности продуцентов, консументов и редуцентов. К этому добавляется система передачи и трансформации энергии между уровнями и ее рассеивание.

Для биотического круговорота характерны четкие рециклы по макробиогенным элементам ( например, углероду, азоту, кислороду) с высокой степенью замкнутости ( 99,99 %), которая поддерживаются и коррелируются с высокой точностью в течении тысяч лет. Причем разомкнутость цикла, характеризующая долю "отходов", извлекаемых из сферы быстрого круговорота (для биосферы это вновь образуемые осадочные породы и горючие ископаемые), не превышает 0,01 %. По микробиогенным элементам высокоорганизованные экосистемы существуют в условиях ограниченности ресурсов, совершенствуя способы извлечения этих ресурсов из абиоты или используя принцип замены лимитирующих факторов.

Природа дает пример рационального природопользования, обеспечения высокой эффективности сложных систем с минимумом первичных ресурсов при высокой скорости возврата и эффективности рециклов.

Иные принципы пока преобладают в системах антропогенно - организованных круговоротов. Подобные системы, созданные человеком, отличаются не только количественным несоответствием потоков, но и качественным несоответствием, когда в ОС попадают ксенобиотики и материалы, не имеющие природных механизмов деградации. В техногенных циклах уровень замкнутости даже по легко рециклируемым материалам (например, стеклу, пластмассам, ряду металлов) не превышает для развитых стран 20-70 %.

В настоящее время именно ресурсная проблема привлекает, пожалуй, наибольшее внимание системных аналитиков в области экоразвития. Достаточно четкая зависимость между численностью населения, удельным потреблением, доступными ресурсами и демографическим индексом DI, характеризующим прирост населения дана Клаудом:

доступные ресурсы

DI = –––––––––––––––––––––––––––––– .

население · удельное потребление

Величина демографического индекса прямо пропорционально зависит от доступных для современного состояния экономики и общества ресурсов и обратно пропорциональна численности населения и уровню удельного потребления. Причем увеличение численности населения при ограниченности ресурсов существенно снижает уровень удельного потребления.

Увеличение численности при малом росте производительности труда приводит к снижению удельного производства на душу населения,

снижению уровня потребления и качества жизни, что делает эту тенденцию малопривлекательной для общества. Основной возможностью поддерживать положительный демографический индекс без снижения качества жизни является повышение уровня доступных обществу ресурсов, что определяется современными научно - техническими достижениями в области добычи и рационального использования ресурсов, расширения сырьевой базы и переходом на возобновимые и наиболее распространенные в природе типы сырья.

В развитых странах фактически не достигается эффект ограничения потребления по чисто ресурсным критериям. Пока еще определенный оптимизм внушают и неразведанные запасы сырья. В настоящее время в мировом масштабе темпы открытия новых месторождений превышают темпы расходования уже имеющихся ресурсов. Особенно интенсивно ведутся поиски энергоресурсов, нефти и газа.

В полном соответствии с экологическими законами минимума и толерантности для техносферы наблюдается прямая зависимость между показателями использования сырья и его запасами. При обострении ресурсных проблем развитие научно-технического потенциала дает альтернативный выход по "принципу замены факторов", характерный для закона минимума. Появляются заменители материалов, например, пластические массы и органоминеральные композиции, эаменяющие металлы, новые технологии производства энергии, энергоносителей и материалов.

Острота ресурсной проблемы обычно иллюстрируется рассмотрением ресурса как чисто материального понятия, например, исчерпание горючих и полезных ископаемых, превышение разумного уровня гидроресурсов. Однако, следует отметить, что ресурс - это не только чисто материальное понятие, но и в большей степени понятие функциональное и изменяющееся во времени. Под функциональным ресурсом понимается любой материал, который может выступать в качестве ресурса, если разработаны способы его трансформации и употребления в деятельности. Например, нефть не относилась к энергоресурсам до разработки технологии нефтепереработки и широкого распространения двигателей внутреннего сгорания. Еще более быстрое превращение функционального ресурса наблюдается с ядерным топливом, ставшем реальным энергоресурсом лишь последние 20-30 лет. На примере энергоресурсов можно проследить образование новых функциональных ресурсов. Так на протяжении 30-50 лет в разряд реальных ресурсов вошли альтернативные способы производства энергии: гидроэнергетика, атомная энергетика, современные предприятия по сжиганию низкосортных топлив с утилизацией и обезвреживанием выбросов.

Большие возможности открываются и при переходе от невозобновимых видов сырья на возобновимые, воспроизводимые биосферой в достаточных количествах. Само деление на воспроизводимые и невоспроизводимые ресурсы для материального понятия ресурса вполне определенно. Речь идет о скорости образования материального ресурса в биосфере по сравнению с темпами его расходования отнесенными к определенному отрезку времени. Реализация подобных потенциальных функциональных ресурсов и их расширение является мощным фактором экоразвития.

Таким образом категория функциональных ресурсов существенно расширяется по мере увеличения комплекса знаний, развития технологий, т.е. реализации и наиболее полного использования интеллектуальных ресурсов, присущих человеческому обществу.

Пожалуй, именно этот критерий наиболее полного использования интеллектуальных ресурсов и определяет эффективность существующих социальных систем, обеспечивающих наиболее полную реализацию этих ресурсов и высокий престиж обучения, квалификации и образования.

Эффективное использование интеллектуальных ресурсов позволяет увеличить доступные ресурсы с включением ранее неиспользуемых ресурсов. В этом случае достигается и прямое увеличение ресурса за счет использования, например, более бедного и ранее экономически неприемлемого ресурса. Известно, что нижний предел концентрации целевого компонента зависит от уровня социально - экономического развития, от уровня технологий и технической оснащенности, ресурсодобывающих и ресурсоперерабытывающих отраслей и явно снижается за счет появления новых технических решений в ресурсных областях и повышения спроса на полезные сырьевые продукты.

В конце концов, само понятие - полезность ископаемых также является функциональным и определяется как спросом, так и технико-экономическими возможностями общества, Особенно явно это проявляется при реализации принципов комплексного использования полезных ископаемых, при которых извлекается максимум целевых компонентов, что существенно повышает технико-экономические и экологические показатели подобных процессов.

Значительно хуже обстоит дело с сохранением биоресурсов генетического фонда и биотического потенциала биосферы. К середине XX века только фиксированные потери составили 65 видов млекопитающих (1,5 %), 140 видов птиц (2,3 %) и сотни видов только позвоночных находятся на грани истребления. Эти потери подрывают основной критерий стабильности биосферы - видовое разнообразие. Если применить к этим уже ощутимым потерям наиболее щадящую арифметическую прогрессию, то время удвоения подобных разрушительных процессов будет весьма близко к 40 - 50 годам. Потерянный генофонд это не только основной резерв устойчивости и адаптационых возможностей биосферы и невозможность восстановить в будущем ее изменения, но и реальные потери в новых биотехнологиях на базе природного и возобновимого сырья. В этом случае подрывается основной критерий стабильности биологических систем, видовое многообразие, обеспечивающее основные функции биосферы: средообразующую, транспортную, деструктивную. Таким образом, при сохранении существующих темпов разрушения биоресурсов могут быть вполне справедливыми апокалиптические выводы экологических пессимистов об антропогенном экоциде. Эти аспекты будут рассмотрены далее в разделе фактора ухудшения качества окружающей среды.

Ухудшение качества окружающей среды

Этот фактор экоразвития вызывал озабоченность общества уже на начальной ступени социально-экономического развития. И как обычно человек ощутил и осознал негативное влияние природных факторов впервые на себе. Изменение природных микробоценозов в условиях агрегированной популяции привело к возникновению эпидемий и пандемий при активации фактора биологического загрязнения. На более высоких ступенях социально-экономического развития к биологическому загрязнению добавился все возрастающий техногенный вклад от производственной деятельности человека. Именно этот абсолютный рост и его сравнительно высокие темпы выдвинули на первый план концепцию несоответствия буферных и адаптационных возможностей биосферы и темпов развития человеческого общества.

При сохранении существующих в современном обществе темпах роста, характеризующихся удвоением производства энергии (каждые 12 лет), объема производства (каждые 15 лет) и сохранении уровня и темпов развития природозащитной технологии, по прогнозу "Пределы роста" уже к 2000 г. следовало ожидать 2-3-х кратного увеличения нагрузки на ОС по сравнению с семидесятыми годами нашего века. Подобная усредненная тенденция, хотя и не привела к кризисной экологической ситуации в развитых странах, создала ряд кризисных и предкризисных ситуаций в развивающихся странах. В экологии подобное явление может вызываться аутогенной экологической сукцессией, происходящей в результате изменения ОС, вызванных самими организмами. Именно эта ситуация предполагает необходимое экологически целесообразное ограничение антропогенного воздействия на ОС.

Под антропогенным воздействием обычно понимается воздействие на ОС собственно человеческой популяции и техногенного фактора, созданного человеком и необходимого ему в настоящее время для существования. Оно может носить характер нарушения количественного баланса материальных потоков в ОС, нарушения физических и фоновых параметров ОС, выброса токсичного для биоты вещества, нарушения и изъятия природных ресурсов.

Воздействие может носить глобальный характер, изменяя глобальные в основном физические параметры ОС. Подобные воздействия являются, например, причиной уменьшения озонового слоя, парникового эффекта, уменьшения площади лесов, ухудшения качества поверхностных вод суши и не могут быть решены в ограниченном региональном масштабе, а требуют проявления международной активности. Локальный характер предполагает как объект воздействия компоненты ОС атмосферу, литосферу с ограниченным по пространству эффектом.

Весьма часто для комплексной ориентировочной оценки степени ухудшения качества ОС используют IPAT - формулу, связывающую негативное воздействие на ОС I (INPACT) c численностью населения (P), уровнем благосостояния (A), и размером ущерба в результате применения технологий (T)

I = P· A·T

Формула IPAT в основном используется для крупных интегрированных глобальных оценок. Для оценок отдельных экономических регионов и территорий несколько лучшую адекватность дает модель, описывающая DEI (индекс ухудшения качества ОС), использованием более определенных факторов, таких как плотность населения, интенсивность производственной деятельности или производительность на душу населения и приведенный уровень выброса на единицу объема производства

PN IV PV

DEI = ––––– ––– –––– ,

SQ PN IV

где PN - численность населения, SQ - площадь территории, IV-объем производства, PV -объем выбросов в приведенных или условных тоннах.

В этой модели дополнительно введены факторы площади оцениваемой территории, объема производства и количественная оценка ущерба от производства. В качестве основных детерминирующих факторов использованы факторы плотности населения – (PN/SQ ), удельной производительности – (IV/PN) и уровня технологии по ущербу ОС – ( PV/IV ).

Первый терм дает плотность населения, второй -интенсивность производства на единицу населения, третий - ущерб производства для ОС на единицу продукции (или денежной массы). Причем объем производства может быть выражен как в единицах продукции так и в денежном эквиваленте, а выбросы в условных тоннах загрязнений или уровнях расхода (загрязнения) ресурсов: воды, воздуха, почвы. Величины показателей степени x, y, z определяют значимость каждого терма и зависят от социально-экономического уровня развития региона и описываемого отрезка времени.

Для развивающихся стран высокие значения только первого терма могут дать большие величины DEI уже за счет чисто антропогенной нагрузки при доминировании r-стратегии выживания и экспоненциальном росте населения. Причем увеличение плотности населения обычно сопровождается относительно малыми величинами удельного производства и усугубляется относительно большой величиной третьего терма - ущерба ОС от производства. Ряд стран в этом случае вынужден решать проблемы ограничения рождаемости, чтобы обеспечить реальную тенденцию улучшения качества жизни и повышения благосостояния.

Высокое значение последнего терма определяются отсутствием или невозможностью использовать по ряду причин "чистые" но и более дорогие современные технологии или технологии, связанные с большой энергетической субсидией, например, как это имеет место в случае современных агроценозов и высоких промышленных технологий.

Для развитых стран характерна тенденция весьма малого роста или постоянства первого терма - плотности населения с относительно небольшим превышением темпов простого воспроизводства. Тенденция улучшения качества жизни реализуется за счет увеличения второго терма (удельное производство). При этом тенденция простого экстенсивного развития уже может привести к увеличению второго терма и возрастанию индекса ухудшения качества окружающей среды. К такому же эффекту за счет увеличения параметра IV и соответственно PV приводит и сохранение неизменным уровня природоохранных технологий.

При оценке результирующего негативного воздействия на ОС любого вида деятельности, определяемого параметром IV, многие негативные воздействия практически не учитываются, что в свое время привело к широкому декларированию лозунгов безотходного производства и безотходной технологии. Обычно структура ущерба от современного промышленного производства достаточно четко распределяется между отраслями, причем значительно более половины долевого ущерба падает на топливно-энергетический комплекс и транспорт.

Оценка суммарного реального воздействия должна учитывать не только непосредственное загрязнение в результате выбросов в процессе производства (98-65 %), но и загрязнения в процессе использования готового продукта из-за механической и химической коррозии, а также ущерб от использованного продукта в постфункциональном периоде. В этом случае не затрагивается ущерб привносимый при производстве веществ и полупродуктов, используемых для производства средств производства и организации промышленной инфраструктуры.

Компенсировать эти неизбежные негативные изменения от двух первых факторов возможно лишь при снижении удельного ущерба за счет уменьшения третьего терма при применении новых эффективных природозащитных технологий и технологий рационального природопользования. Эта тенденция динамического развития представляется единственно приемлимой при решении проблем экоразвития, однако из - за технико - экономических трудностей она становится эффективной лишь на более высоких ступенях социально-экономического развития.

Модифицированная модель хорошо применима для эколого-экономической экспертизы и позволяет выявить региональную специфику в социально-экономической и экологической сферах и более пригодна для детализированных оценок рациональных распределения уровней экологической нагрузки (условные тонны на км² территории для воздуха и почвы, условные тонны на тыс. м³ для воды) и гораздо ближе к количественным показателям экологической нагрузки и ухудшения качества ОС.

Реальная оценка качества ОС требует поистине титанической работы по оценке влияния ОС на различные элементы биоты при практически полном отсутствии возможности исследования динамики этих изменений и неопределенности фонового уровня. Единственной возможностью построения такой экспертизы сложной системы является использование для биотестирования наиболее чувствительных к воздействующему фактору ее элементов, например, определенных видов (стеноэков), наиболее чувствительных к качеству ОС.

Из множества представителей биоты человек как вид является стеноэком- видом, наиболее чувствительным к качеству ОС. Высокое давление ОС на человеческую популяцию объясняется известной экологической закономерностью - чем дольше репродуктивный период, тем больше вероятность отрицательного воздействия на популяцию факторов изменяющейся ОС и тем выше вероятность вырождения популяции при ухудшающейся экологической ситуации. Подобная особенность характерна для высших животных с большим объемом головного мозга, развитой нервной системой и длительным периодом обучения. Подобное доминирующее влияние может объясняться не только относительно большой величиной репродуктивного периода человека, но и дальними взаимодействиями последующих поколений с предъидущими. Для человеческой популяции репродуктивный период наиболее продолжителен и приближается к времени смены поколения, например, от момента зачатия, беременности, рождения, воспитания и образования до момента рождения им собственных детей и часто распространяется на следующее поколение внуков.

Длительный репродуктивный период делает для человека значительно более острой проблему преемственности поколений и поддержания не только репродуцирующего поколения, но и других воздействующих поколений в физически и психически здоровом состоянии на протяжении всего периода воздействия. Это положение согласуется с основной тенденцией развития цивилизации - увеличения объема передаваемой информации для реализации выработанных адаптационных механизмов, обеспечивающих успешное существование вида в условиях давления ОС.

Человеческая популяция достаточно эффективно адаптируется к условиям жизни, однако эти возможности конечны, могут быть несопоставимы с возрастающим техногенным давлением на ОС и порождают новые сложные проблемы. Достигая больших высот в адаптации своей популяции за счет достижений современной медицины, обеспечивающей замену природных защитных сил организма биологически активными и лекарственными веществами, создавая системы искуственного жизнеобеспечивания и развивая трансплантологию человек устраняет пресс естественного отбора для особей с отягощенной наследственностью и в определенной мере получает рост генетически обусловленных заболеваний и дефектов развития. Загрязнение ОС и увеличение числа и суммы мутагенных факторов значительно усугубляет эту ситуацию. Обычно на человеческой популяции наиболее эффективно обнаруживаются весьма сложные механизмы негативного воздействия, например, проблема утоньшения озонового слоя, защищающего все живое от жесткого космического излучения, была поставлена и частью решена благодаря международной активности практически в течение десятилетия.

Здоровье человеческой популяции как стено-фактор имеет реальные преимущества перед полномасштабной оценкой качества ОС как экспресс - метод анализа. Действительно, качество ОС определяет качество жизни и в первую очередь здоровье человеческой популяции. При анализе состояния здоровья по данным экспертной оценки ВОЗ (1970) были определены вклады следующих основных причин, влияющих на здоровье человеческой популяции:

50-60 % - экономические причины и образ жизни;

20- 30 % - уровень медицинского обслуживания;

18- 20 % - состояние ОС.

Причем по отдельным странам имеется четкая тенденция увеличения долевого влияния третьей причины - качества ОС по мере стабилизации социально- экономического положения и снижения доли первых двух причин. Таким образом, по мере социально- экономического прогресса возрастает уровень обратного давления качества ОС на человеческую популяцию. Так, некоторые исследователи в США склонны оценивать долю от ухудшения качества ОС до 70- 94 % (табл. 23).

Для решения проблемы сохранения существующего эволюционного пути развития биосферы неодходимо реализовать не только экологические холистические подходы но и громадные интеллектуальные ресурсы человеческого общества. Эти же аспекты позволяют обеспечить выработку оптимальной стратегии природопользования, методов оценки и регулирования экоразвития.

Таблица 23

Сводная таблица уровня глобальных прогнозов

Рассматриваемый аспект	Экологический пессимизм	Умеренный пессимизм	Умеренный оптимизм	Технологический оптимизм
1	2	3	4	5
Основная модель развития мира	Ограниченные источники	Неопределенные источники	Расширяющиеся источники	Неограниченные источники

Окончание табл. 23

1	2	3	4	5
Ресурсы	Постоянное истощение	Непрерывные трудности	В основном достаточные	Экономика и технология обеспечат блестящие решения
Современный рост	Является гибельным	Большая возможность бедствия	Вероятная тенденция к стабильности	Желателен и плодотворен
Технология и капитал	В основном мнимое или антипроизводительное действие	Преимущественно уменьшающаяся отдача	Необходимы для прогресса	Обеспечивают решение всех проблем
Управление и принятие решений	Почти наверняка ошибочны	Вероятно ошибочны	Ограниченно успешны	Не являются серьезной проблемой
Новшества и открытия	Скорее всего экологическая ловушка	Прогрессирующе эффективны	Обычно эффективны	Основная надежда стабильного развития человечества
Индустриализация	Бедствие	Движение назад	Следует продолжить	Необходимое условие богатства и прогресса
Различие в доходах и бедность	Ведут к трагическому исходу	Возрастают с отрицательными последствиями	Уменьшают абсолютный уровень бедности	Искаженная проблема
Качество жизни	Разрушено	Находится в противоречии с ростом	Выигрыши превышают потери	Для большинства людей сулит выигрыши и доходы
Долгосрочная перспектива	Мрак и безнадежность	Обусловленное бедствие	Обусловленный успех	В высшей степени оптимистичны и надежны

Структура и состав атмосферы

Атмосфера является основной частью биосферы и представляет собой газообразную оболочку Земли. Атмосфера (от греческого "атмос" - воздух) является основой жизни, определяет окислительные процессы живой и неживой природы, предохраняет от резких суточных перепадов температуры (они могли бы достигать 150-200 ^оС), защищает от вредных солнечных и космических излучений.

По сравнению с другими компонентами биосферы атмосфера имеет ряд присущих только ей особенностей: высокую подвижность, изменчивость составляющих ее компонентов, своеобразие физико-химических процессов. Распределение тепла и влаги в атмосфере - основная причина существования природных зон на Земле, определяющих особенности режима рек, почвенно-растительного покрова и важные процессы формирования рельефа.

Общая масса газовой оболочки нашей планеты - атмосферы составляет 5,14 ·10¹⁵ т. Это примерно одна миллионная часть от веса Земли. Внутренняя часть этой оболочки, толщиной до

200 км, имеет одинаковую плотность. Выше 200 км, температура и плотность воздуха сильно меняются, атмосфера пульсирует, расширяется и сжимается, поэтому внешняя часть атмосферы имеет неправильную форму. Атмосфера мощностью до 20000 км имеет слоистое строение и состоит из тропосферы, стратосферы, мезосферы, ионосферы (термосферы) и экзосферы.

Тропосфера - нижний, наиболее плотный слой воздуха высотой 10-15 км, составляет 90 % от массы атмосферы. Стратосфера расположена над тропосферой до высоты 50 км. В ней находится озоновый слой, защищающий все живое от воздействия коротковолнового ультрафиолетового излучения.

Мезосфера расположена на высотах 50-85 км. Падение температуры достигает здесь -70-80 ^оС, ее строение еще мало изучено.

Ионосфера расположена до высоты 1000 км, характеризуется повышенной ионизацией молекул и защищает все живое от воздействия космической радиации.

Экзосфера - внешний слой атмосферы, характеризуется разреженностью вещества, близкой к межпланетному пространству.

Условно принято атмосферу делить на две большие части: верхнюю и нижнюю. В этом случае тропосферу и стратосферу относят к нижним слоям атмосферы, а мезосферу и ионосферу объединяют в понятие верхние слои атмосферы. Верхние слои атмосферы по составу образующих ее компонентов в значительной степени отличаются от нижних слоев.

Для экологов наибольший интерес представляет нижняя часть атмосферы, главным образом тропосфера.

В атмосфере происходят основные метеорологические явления, влияющие на загрязнение атмосферного воздуха. Тропосфера практически прозрачна для проходящей через нее коротковолновой солнечной радиации. Вместе с тем содержащиеся в ней водяной пар, углекислота довольно сильно поглощают длинноволновое (тепловое) излучение нашей планеты, в результате чего тропосфера нагревается. Это нагревание является причиной вертикального перемещения потоков воздуха, конденсации водяного пара, образования облаков и выпадения осадков.

Установлено, что в тропосфере температура падает на

0,5-0,6 ^оС на каждые 100 м высоты.

Состав газов тропосферы остается неизменным, и эта смесь газов называется атмосферным воздухом. До высоты 100 км воздух атмосферы имеет стабильный состав вследствие хорошего перемешивания.

Постоянный состав атмосферы сохраняется в природе миллионы лет и определяется сбалансированностью всех веществ, участвующих в круговороте материи и энергии.

Главным компонентом атмосферы (табл.) является азот, на долю которого в приземном слое приходится  78 об. долей, %; кислород  21 об. доля, % и аргон  0,9 об. долей, %. На долю всех остальных компонентов приходится менее 0,1 об. доли, %, но роль их в общей характеристике атмосферы чрезвычайно велика. Концентрация квазипостоянных компонентов (N₂, О₂, Аr, He, Xe, Kr, H₂) остается неизменной вплоть до высоты 100 км. "Активные” газы и аэрозоли испытывают существенные вариации в зависимости от сезона, географического положения и высоты над уровнем моря.

Состав атмосферы в приземном слое атмосферы

Квазипостоянные компоненты	Концентрация, об. д.,%	"Активные" примеси	Концентра-ция, об. д.,%
Азот N2 Кислород O2 Аргон Ar Неон Ne Гелий He Криптон Kr Ксенон Xe Водород H2 Диоксид углерода CO2	78,09 20,95 0,93 18,18·10-4 5,24·10-4 1,14·10-4 0,09·10-4 0,5·10-4 0,03	Вода H2O Оксид угле-рода CO Озон O3 Сернистый ангидрид SO2 Метан CH4 Диоксид азота NO2	0-7 0,01-0,1 3·10-5 1 0,6·10-4 2,10·10-6

Азот воздуха является веществом инертным и почти не принимает участия в поглощении энергии и превращениях веществ в атмосфере. Кислород необходим для дыхания живых организмов и процессов окисления, он участвует в реакциях со многими веществами атмосферы, его молекулы поглощают солнечную энергию в ультрафиолетовой части спектра. Аргон и другие инертные газы пассивны в атмосфере. Диоксид углерода принимает большое участие в процессах поглощения и излучения тепла в атмосфере. Он энергично потребляется растениями на земной поверхности и водорослями океана, имея важное значение в биотических процессах. В последнее столетие концентрация СО₂ в атмосферном воздухе увеличилась почти на 0,003 об. долей, %. По некоторым теоретическим оценкам из-за накопления СО₂ в атмосфере должно произойти повышение средней температуры приземного воздуха. Озон (О₃) постоянно образуется в стратосфере из свободного кислорода. Озон стратосферы занял бы слой толщиной 2,5-3 мм, если бы он был собран весь вместе. Но в рассеянных атомах этого количества достаточно, чтобы защитить все живое от воздействия коротковолнового ультрафиолетового излучения Солнца.

В результате постоянно усиливающегося воздействия человека на окружающую среду баланс веществ в атмосфере стал нарушаться. Возникли качественные изменения состава воздуха и структуры атмосферы. Хотя атмосферный воздух относится к неисчерпаемым природным ресурсам Земли, но при современном научно-техническом прогрессе использование атмосферного воздуха можно считать неисчерпаемым только при реализации крупномасштабных затрат на восстановление его качества.

Основные источники загрязнения атмосферы. Классификация загрязнений

Наибольшее загрязнение имеет слой атмосферы, прилегающий к земной поверхности, наиболее плотный, сосредоточивший основную массу атмосферы. Загрязнением атмосферы называется привнесение в воздух или образование в нем физических агентов, химических веществ или организмов, неблагоприятно влияющих на среду жизни.

Различают естественное и антропогенное загрязнение атмосферы. Естественное загрязнение атмосферы обусловлено поступлением в нее вулканического пепла, космической пыли, растительной пыльцы, морской соли и т.п. Основными источниками природной пыли являются пустыни, вулканы. При гниении и разложении образуются, как правило, большие количества сероводорода, аммиака, оксидов азота. В результате деятельности вулканов и биологических процессов в атмосферный воздух поступают углеводороды. К антропогенным источникам загрязнения атмосферного воздуха относятся энергетические установки, сжигающие топливо, промышленные предприятия, транспорт, сельскохозяйственное производство.

В больших городах к числу основных источников загрязнения атмосферного воздуха относится автотранспорт, на долю которого приходится порядка 60 % всех вредных выбросов в атмосферу. Один автомобиль в среднем поглощает 4 т кислорода, а выбрасывает с выхлопными газами примерно 800 кг СО, 40 кг NO₂ и 200 кг различных углеводородов. Автомобильные выхлопные газы - смесь примерно 200 веществ, среди которых есть и канцерогенные, например, бензпирен.

В связи с тем, что отработанные газы автомобилей поступают в нижний слой атмосферы, а процесс их рассеивания значительно отличается от процессов рассеивания выбросов высоких стационарных источников, вредные вещества находятся практически в зоне дыхания человека. Поэтому автомобильный транспорт следует отнести к категории наиболее опасных источников загрязнения атмосферного воздуха вблизи автомагистралей.

В районах развитого сельскохозяйственного производства наибольшую опасность представляют средства защиты растений, только 10 % которых при распылении попадают на обрабатываемые растения; остальное разносится ветром и загрязняет атмосферу, литосферу и гидросферу. Так, например, пестицид ДДТ был обнаружен во льдах Антарктиды, хотя никогда там не применялся. Значительными источниками загрязнения атмосферного воздуха стали крупные животноводческие фермы и птицефабрики. Основными вредными веществами, выбрасываемыми сельскохозяйствен-ными объектами, являются аммиак и его производные, сероводород, оксиды азота, неприятно пахнущие вещества (НПВ).

К основным источникам промышленного загрязнения атмосферного воздуха относятся предприятия энергетики, металлургии, стройматериалов, химической и нефтеперерабатывающей промышленности, производства минеральных удобрений. Наиболее распространенными вредными веществами, выбрасываемыми в атмосферу, являются следующие: пыль, зола, сажа, силикаты, сероводород, альдегиды, углеводороды, смолы, оксиды азота, серы и углерода, аммиак, хлористый и фтористый водороды, тяжелые металлы, фенолы, цианистые соединения и др.

К антропогенным видам загрязнения атмосферы относятся также радиоактивное и тепловое загрязнения. Радиоактивное загрязнение атмосферы обусловлено как процессами, проходящими в природе, так и деятельностью человека. Природная радиоактивность называется естественной, а вызываемая деятельностью человека - искусственной.

Естественные радиоактивные элементы, попадающие в атмосферный воздух, образуются как вследствие радиоактивного распада урана, тория и актиния, находящихся в горных породах, так и при взаимодействии космического излучения в стратосфере с ядрами атомов химических элементов.

Промышленные источники загрязнения атмосферного воздуха подразделяются на источники выделения и источники выбросов.

К источникам выделения относятся технологические устройства (аппараты, установки и т.п.), в процессе эксплуатации которых выделяются вредные вещества.

К источникам выброса относятся устройства (трубы, вентиляционные шахты, аэрационные фонари и т.п.), посредством которых осуществляется выброс вредных веществ в атмосферу.

Промышленные выбросы подразделяются на организованные и неорганизованные. Организованный выброс поступает в атмосферу через специально сооруженные системы газоотводов. Это позволяет применять для улавливания примесей соответствующие газопылеулавливающие установки. Неорганизованный выброс поступает в атмосферу в виде ненаправленных потоков газа в результате нарушения герметичности технологического оборудования, газоотводных устройств, резервуаров, участков погрузочно-разгрузочных работ и т. д.

Примеси в атмосферном воздухе находятся в различных агрегатных состояниях: газообразном или в виде аэрозолей. Аэрозоли - дисперсные системы, состоящие из жидких или твердых частиц, распределенных в газообразной среде (туманы, дымы и пыли).

Физико-химические процессы в атмосфере под влиянием загрязняющих веществ. Самоочищение атмосферы

Накопление загрязнений в атмосфере зависит от следующих факторов: поступления загрязнений в воздух, объема пространства, в котором они рассеиваются, и механизмов удаления загрязнений из воздуха.

Вещества, загрязняющие атмосферный воздух, претерпевают химические превращения, образуя новые вещества, и приводят к вторичному загрязнению.

Наиболее активными веществом в атмосфере является озон. Он вступает в многочисленные химические реакции с оксидами азота, аммиаком, оксидом серы, органическими веществами. Превращение веществ в атмосфере происходит под действием солнечной радиации. Некоторые вещества способны при поглощении солнечной энергии расщепляться на свободные радикалы, поэтому они получили название фотохимически активных. Образование свободных радикалов в атмосфере приводит к смогу. Фотохимический смог представляет собой вторичное загрязнение атмосферы, возникающее в результате разложения веществ солнечными лучами.

Понятие "смог" впервые было употреблено около 70 лет назад применительно к смеси дыма и тумана, обычно имевшей желтый цвет и образовавшейся над Лондоном в периоды температурных инверсий.

В настоящее время различают два основных вида смога: смог, связанный с загрязнением атмосферы копотью или дымом, содержащих диоксид серы (лондонский смог), и смог, вызванный загрязнением воздуха выхлопными газами транспорта, содержащими диоксид азота и фотохимические оксиданты химически активных примесей сложного состава (лос-анджелесский смог). Характерной особенностью лос-анджелесского смога является снижение видимости по горизонтали, что влечет за собой уменьшение интенсивности движения и увеличение числа аварий на транспортных магистралях.

Ограничение видимости по горизонтали до 0,5 км при ясном небе и хорошей вертикальной видимости обусловлено рассеянием света на мельчайших аэрозольных частицах (твердых или жидких).

Установлено, что основными компонентами смогов являются озон, оксиды азота, серы, сульфаты, нитраты, углеводороды, карбонильные соединения, свободные радикалы и пероксиацилнитраты.

Наиболее хорошо изучены химические реакции диоксида серы, находящегося в возбужденном состоянии под воздействием солнечных лучей, с кислородом, свободными радикалами, оксидами азота и углерода, озоном и др. Долгие годы протекание процессов окисления в атмосфере связывали с присутствием в ней озона и пероксида водорода. Однако, как показали исследования последних десятилетий, основную роль в процессах окисления, протекающих в газовой фазе, играют свободные радикалы. Среди свободных радикалов, обнаруженных в атмосфере, большое значение имеет гидроксил-радикал.

С присутствием органических соединений в воздухе связаны процессы образования пероксидных соединений, которые протекают в основном по следующей схеме химических реакций:

R↑-↑CH₃ + OH*  RCH₂* + H₂O

RCH₂* + O₂  RCH₂ - O ↑-↑ O* + O

RСН₂- ↑ O - O* + O₃  R - C - O ↑-↑ O* + H₂O

O O

R ↑-↑ C - O - O* + NO₂  R СC - O ↑- O ↑- NO₂

Наиболее распространенным пероксидным соединением, синтезирующимся в атмосфере, является пероксиацетилнитрат. В случае присутствия в воздухе ароматических углеводородов возможно образование пероксибензоилнитрата, являющегося сильным слезоточивым газом. Интенсивный смог вызывает удушье, приступы бронхиальной астмы, аллергические реакции, повреждение глаз. Печальная статистика смогов свидетельствует о массовых случаях гибели людей. Так смог 1952 г. в Лондоне унес 4000 жизней.

На образование и устойчивость смога влияет атмосферная инверсия.

Атмосфера Земли, как и атмосфера других планет, не находится в равновесном состоянии. Вследствие этого ее температура непостоянна, а изменяется с высотой. Если температура увеличивается с ростом высоты, то атмосферные условия определяются как инверсия. Наличие инверсии в значительной степени замедляет вертикальное перемещение загрязняющих веществ, и, как следствие, увеличивает их концентрацию в приземном слое. Это происходит в том случае, если слои воздуха, прилегающие к земной поверхности, охлаждаются до температуры ниже температуры расположенных выше слоев. Инверсии температуры могут наблюдаться круглый год.

С развитием промышленности и транспорта загрязнение атмосферы значительно расширяется и в настоящее время выявлено несколько глобальных последствий загрязнения атмосферы. К их числу следует отнести изменение отражательной способности (альбедо) Земли, парниковый эффект, истощение озонового слоя, кислотные осадки, уменьшение количества кислорода в атмосфере.

Альбедо Земли представляет собой отношение солнечной радиации, отражаемой Землей в мировое космическое пространство к солнечной радиации, поступающей на границу атмосферы. Средняя величина альбедо Земли 35-45 %. Накопление в атмосфере пыли, аэрозолей способствует отражению солнечной радиации. Повышенное отражение солнечной радиации может привести к похолоданию климата.

Парниковый эффект является следствием накопления в атмосфере диоксида углерода, а также других газов (метан, оксиды азота, хлорфторуглеводороды). В настоящее время содержание диоксида углерода в атмосфере оценивается концентрацией 0,035 об. долей, %. Углекислый газ прозрачен в видимой части спектра и беспрепятственно пропускает солнечные лучи, но в то же время хорошо поглощает длинноволновое инфракрасное излучение в той части спектра, в которой Земля излучает в мировое космическое пространство собственное тепло. Накопление диоксида углерода обеспечивает тот же эффект, что и в парниках, покрытых стеклом или полиэтиленовой пленкой. Компьютерные модели климата Земли дают прогноз к 2050 году на повышение средней температуры воздуха от 1,5 до 4,5 ^оС, причем на полюсах потепление может достичь 10 ^оС, а у экватора 1 - 2 ^оС. Повышение температуры на полюсах приведет к дополнительному таянию льдов, и уровень мирового океана может повыситься на 1,5 м. В свою очередь это вызовет необходимость перестройки портов, переселения некоторой части населения прибрежных стран вглубь материков и т.д. Неравномерное повышение температуры на полюсах и экваторе скажется на движении воздушных масс и режиме осадков, что существенно для сельского хозяйства многих стран. Таким образом, само по себе небольшое потепление может вызвать серьезные последствия. Одни ученые считают, что парниковый эффект уже действует на климат, другие считают некоторое потепление отклонением от средних значений, но научным фактом является повышение температуры мирового океана на 0,1 ^оС в год, которое обнаружено космическими исследованиями.

В процессе загрязнения атмосферы особое значение имеет истощение озонового слоя. Значение озонового слоя огромно: он задерживает 99 % ультрафиолетового излучения, предохраняя поверхность Земли от избыточной солнечной радиации. Истощение озонового слоя было обнаружено над Антарктидой в начале 70-х годов. Озоновая дыра над Антарктидой в настоящее время занимает площадь больше, чем сам материк. По некоторым данным площадь ее увеличивается на 4 % в год. Концентрация озона в озоновой дыре снижена на 50 %. Озоновые дыры обнаружены и в других частях земной атмосферы (Арктическая озоновая дыра).

Озоновый слой истощается как по космическим причинам, так и по земным, антропогенным. К снижению концентрации озона приводит сведение лесов. К разрушению озона могут быть причастны около 40 веществ, присутствующих в атмосфере, но, прежде всего - галогенсодержащие углеводороды (фреоны или хладоны), используемые человеком в холодильной технике, аэрозольных упаковках, в качестве вспенивателей при производстве пористых пластмасс, для очистки компьютерных микросхем.

Кислотными осадками называют осадки, имеющие рН менее 5,6. Именно это значение рН было избрано вследствие того, что содержащийся в атмосфере диоксид углерода, растворяясь в дождевой воде, дает слабокислую реакцию до рН - 5,6. К кислотным осадкам относятся кислотные дожди, туманы, росы. Кислотность измеряется по шкале рН:

кислая среда щелочная среда

сильно - умеренно - слабо слабо - умеренно - сильно

12 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

За последние 30 лет кислотность осадков повысилась в среднем до рН - 4,1. Кислотность осадков создается растворением в них содержащихся в атмосфере серной и азотной кислот. Серная кислота образуется в атмосфере из диоксида серы, азотная - из диоксида азота. Три четверти всего количества диоксида серы в атмосферу выделяется дымовыми трубами теплоэлектростанций. Основное количество диоксида азота поступает с выхлопными газами автомобилей (40 %) и выбросами тех же теплоэлектростанций (30 %). Чем обильнее выпадающий дождь, тем, как правило, кислотность его воды меньше, так как определенное количество кислоты растворяется в большем количестве воды. Высокое содержание кислот может быть в кислотных туманах, где количество воды невелико. Кислотные отложения могут выпадать и в сухом виде, с пылью, их растворение происходит в каплях росы уже на поверхности растений.

Влияние кислотных осадков на экосистемы было обнаружено примерно 30-35 лет назад. Индикатором этого влияния было уменьшение уловов рыбы в озерах Европы. Было установлено, что вода озер имела кислую реакцию, а водные обитатели не выживают при снижении рН воды ниже 4,5. Особенно повышение кислотности влияло на процессы размножения водных организмов и развитие молоди рыб. Кислотные осадки, просачиваясь через почву, способны выщелачивать алюминий и другие металлы, т.е. переводить их из нерастворимого в нейтральной среде состояния в растворимое. Ионы этих металлов дополнительно оказывают отрицательное воздействие, как на наземные экосистемы, так и на водные.

С выпадением кислотных осадков деградируют леса. Во-первых, кислоты нарушают восковой покров листьев, делая растения более уязвимыми для патогенных организмов. Во-вторых, ионы водорода, поступающие с осадками, вытесняют ионы биогенных металлов (К, Са, Мg) в более глубокие слои, и растениям достается меньше необходимых питательных веществ. В-третьих, ионы алюминия и других тяжелых металлов, извлекаемые кислотными осадками, замедляют рост и вызывают гибель растений.

От кислотных осадков страдают сельскохозяйственные растения, постройки в городах, а также здоровье людей. Известно, что алюминий вызывает преждевременное старение.

Уменьшение кислотности осадков можно осуществить следующими мерами: заменяя уголь другим топливом на теплоэлектростанциях, извлекая серу из твердого топлива перед его сжиганием, сжигая уголь на электростанциях в псевдосжиженном слое с добавлением извести, улавливая сернистый ангидрид из дымовых газов, не допуская его выброса в атмосферу, развивая строительство альтернативных электростанций.

В связи с загрязнением атмосферы в ее составе наблюдается снижение количества кислорода, ежегодно его уменьшение оценивается в 10 млрд т. Убыль кислорода в атмосфере прогрессирует: за последние 50 лет его количество сократилось настолько же, насколько за предыдущий миллион лет. В относительных единицах эта убыль составляет 0,02 % от всего атмосферного запаса, но для сохранения стабильности состава атмосферы и эта величина имеет значение.

Интерес к глобальным последствиям загрязнения атмосферы в существенной степени вызван проблемами будущего, поскольку имеется тенденция к увеличению выбросов вредных веществ в атмосферу.

Загрязнение атмосферного воздуха может быть глобальным, региональным, местным и локальным. Однако четко разделить эти виды загрязнения трудно, так как атмосферный воздух границ не имеет.

Масштабы загрязнения связаны с мощностью выбросов и характером циркуляции воздушных потоков. Если эти два фактора совпадают по направлению и времени, то загрязнение атмосферного воздуха может быть глобальным.

В связи с тем, что поступление, перенос и трансформация примесей в атмосферном воздухе сопровождаются взаимодействием веществ друг с другом и с объектами окружающей среды, существует возможность самоочищения.

Самоочищение атмосферного воздуха может происходить в результате сухого и мокрого выпадения примесей, поглощения почвенными бактериями и микроорганизмами и другими путями. Основным механизмом очищения атмосферы от радиоактивных аэрозолей является выпадение осадков. Время нахождения радиоактивных примесей в атмосферном воздухе прямо пропорционально высоте, на которую они были заброшены. Вследствие сухого и мокрого выпадения вредных веществ загрязняется почва и водные объекты. К другому типу самоочищения атмосферного воздуха относится сухое осаждение - удерживание загрязняющих веществ (газов и аэрозолей) подстилающей поверхностью.

Скорость осаждения твердых частиц зависит от их радиуса - чем больше диаметр частицы, тем выше скорость осаждения. Для разных подстилающих поверхностей скорости осаждения различны. Наибольшая - для воды; наименьшая - для травы в осенний период.

Посадка деревьев и кустарников вдоль транспортных магистралей способствует снижению концентрации оксида углерода в приземном слое воздуха. Отмечено, что одноярусная посадка деревьев снижает концентрацию примеси на 10 %, а двухъярусная на 65 %.

Загрязнение атмосферы выбросами

пищевых предприятий

Выбросы в атмосферу предприятий пищевой промышленности можно разделить на следующие гpуппы:

- выбросы, образующиеся при производстве энеpгии и в результате использования транспортных средств с двигателями внутреннего сгорания;

- выбросы основных технологических процессов;

- выбросы вспомогательных цехов и производств.

В первом случае источниками выбросов является паросиловое оборудование, используемое на производстве и автотранспорте. Местные котельные выбрасывают большое количество газов, в состав которых входят оксиды серы и азота, пыль. Большое количество разнообразных технологических процессов определяет широкий качественный состав второй гpуппы выбросов (табл.).

Выбросы pазличных пищевых производств

Производство, цех, оборудование, операция	Объем выбро-сов, тыс. м3	Темпе-ратура выбро-сов, 0С	Наименование веществ	Концентра-ция, мг/м3
1	2	3	4	5
Сухого молока и молочных продуктов: сушильные установки	2-100	75-85	Пыль сухих продуктов	3000-5000 П1
Дозатор сыпучих материалов	П3	-	То же	0,4-1000
Огневые калориферы	0.5-10,0	150-300	Оксид азота, диоксид серы, твердые частицы углерода	20-900 П2

Продолжение табл. 4

1	2	3	4	5
Жестяно-баночный цех
Резка, штамповка, сборка	П3	25-40	Металлическая пыль	0,1-4,5
Лужение, лакирова-ние, травление, пайка	П3	25-60	Пары олова и органических веществ	Следы
Картонажно-печатный цех	0,8-18,0	40-45	Аэрозоль свинца	Следы
			Пары парафина	1,5-2,0
			Этанол	400-500
			Оксид этилена	Следы
			Формальдегид	Следы
Сыродельный цех:
Парафинер	П3	90-105	Пары парафина	1-5
Коптильная камера	0,5-5,0	30-80	Оксиды азота	0,1-0,9
			Диоксид серы	4-20
			Оксид углерода	70-200
			Сажа	27-54
			Аммиак	0,1-1,2
Производство мороженного:
печь для выпечки вафель	0,1-2,0	120-25-	Оксид углерода, оксиды азота	П2
ремонтно-механический цех:
механическое оборудование	0,5-15,0	18-25	Металлическая пыль	0,5-2,0
			Абразивная пыль	0,6-1,1
вагранка, печь цветного литья	3-15	200	Диоксид серы	300-1200
			Оксид углерода	700-14000
			Оксид азота	54-150
			Зола	125-9000
Производство казеина:
дробилки, паровые сушилки	П3	18-30	Пыль казеина	1,5-500

Продолжение табл. 4

1	2	3	4	5
огневые сушилки	0,3-7,0	130-250	Оксиды азота, диоксид серы, твердые частицы углерода	П2
котельная	5-1000	130-300	То же	П2
Мойка тары и оборудования	П3	30-60	Пары щелочи	0,07-0,6
Очистные сооружения:
жироловки, биостанции	П4	10-25	Сероводород	0,1-30
			Аммиак	2-50
			Метан	До 1 %
хлораторная	П3	18-25	Пары хлора	0,05-0,5

Примечание. П1-концентpация выбрасываемых веществ в трубопропроводе перед поступлением на газоочистные установки; П2-концентpация зависит от типа применяемого топлива и его часового потребления; П3-объем выбросов зависит от производительности аспирационной системы; П4-неоpганизованный выброс.

В мясомолочной промышленности большинство технологических процессов, связанных с тепловой обработкой сырья в присутствии влаги, сопровождается образованием продуктов распада белка, разнообразных по физико-химическому составу и по влиянию на организм человека, особенностью которых является наличие неприятно пахнущих веществ (НПВ). Их выброс может произойти почти на любом этапе переработки животного сырья (особенно в процессах варки, жарки, сушки, копчения, выпарки и т.д.). При этом газопаровоздушная смесь, как правило, наряду с НПВ содержит продукт в пылевидной форме и конденсируемые пары, котоpые сами могут являться источником неприятного запаха. Так, на мясокомбинатах основными источниками загрязнения атмосферы НПВ являются цехи технических и кормовых фабрикатов (утилизационные), в которых перерабатывают отходы всех основных цехов. В данном случае воздушная среда загрязняется значительным количеством НПВ (табл. 5).

На зерноперерабатывающих предприятиях и элеваторах основным ве­ществом, загрязняющим атмосферный воздух, является зерновая, мучная и комбикормовая пыль. Зерновая пыль выделяется на элеваторах и зерноскладах в процессе выполнения операций по приемке, перемещению, очистке и отпуску зерна, в зерносушилках, на мукомольных заводах при подготовке зерна к помолу; на крупозаводах в процессе подготовки и переработки зерна. Мучная пыль выделяется на мукомольных заводах при производстве и складировании муки.

Таблица 5

Характеристика выбросов цеха технических фабрикатов

Компоненты	Концентрация выбросов, мг/м3			Максима-	ПДК,
НПВ	вентиляционных		технолог.	льная кон-	мг/м3
	аппаратное	сырьевое	соковые	Центрация,
	от-ние	От-ние	пары	мг/м3
Аммиак	12-250	7-224	3000	3000	0,2
Сероводород	0,01-5,0	0,04-2,4	7-7000	750	0,008
Меркаптаны	Следы	0,05-1,0	10-50	50	9 10-6
Диметилсульфид	Следы	Следы	20	25	0,08
Амины	0,03-5,0	Следы	290	300	0,005
Формальдегид	0,01-10	0,06-36,0	7-120	150	0,035
Фенол	-	0,507,0	Следы	40	0,01
Кетоны	0,1-2,0	8,0-13,0	5-20	45	-

Комбикормовая пыль выделяется на комбикормовых предприятиях при транспортировании компонентов комбикормов, выработке комбикормов и белково-витаминных добавок и отпуске готовой продукции.

К источникам выделения пыли на зерноперерабатывающих предприятиях и элеваторах относятся технологическое и транспортное оборудование, зерносушилки, аспирационные и пневмотранспортные установки. Характеристики выбросов от различных видов оборудования зерноперерабатывающих предприятий представлены в табл. 6 и 7.

Таблица 6

Характеристика выбросов от pазличных видов оборудования размольных отделений мукомольных заводов

Наименование аспирируемого оборудования	Концентрация пыли, г/м3
Пневмотранспортные установки	3,0
Ситовеечные машины	8,0
Вальцовые станки	20,0
Башмаки норий	8,0
Рассева	60,0
Смесители, просеивающие машины, весы	4,0
Магнитные колонки	20,0
Цепные конвейеры, шнеки, аэрожелоба, емкости	2,0

Таблица 7

Характеристика выбросов от pазличных видов оборудования элеватора

Наименование аспирируемого оборудования	Концентрация пыли, мг/м3
Башмаки норий	2,0
Сбрасывающие коробки подсилосных конвейеров	2,0
Автоматические весы, бункеры, нории	1,2
Поворотные круги, надсепараторные бункеры	0,6
Насыпные лотки надсилосных конвейеров	1,5
Сбрасывающие тележки	0,7
Цепные конвейеры	0,8
Пневмотранспорт отходов	3,0

Ориентировочно количество пыли, выбрасываемой в атмосферу, при выработке муки и крупы составляет 3,2 %, на элеваторах и складах - 3,0 % от количества отходящей от оборудования пыли.

При выработке 1 т комбикормов количество выбрасываемой в атмосферу пыли примерно равно 0,5 кг.

В состав выбросов пищевых предприятий входят различные газо- и парообразные вещества, а также выбросы твердых частиц, разнообразные по своим физико-химическим свойствам и токсичности.

Среди органических веществ можно выделить кислородсодержащие, серусодержащие, азотосодержащие вещества и углеводороды. Основными кислородсодержащими веществами являются:

-карбоновые кислоты (уксусная, пропионовая, масляная, изомасляная, валериановая, изовалериановая);

-альдегиды (уксусный, масляный, капроновый, валериановый, изовалериановый, сукцинальдегид, фурфурол, акролеин);

-кетоны (метилэтилкетон, метилбутилкетон, ацетон, дибутилкетон, метилпропилкетон, метиламилкетон, диацетил);

-спирты и фенолы (этанол, бутанолы, пропанол, фенол, крезолы, пирокатехин, метилпирокатехин);

-эфиры (диметиловые - пирогаллола, н-пирогаллола, н-этилпирогаллола, пропилпирогаллола, амилформиат).

Серусодержащие вещества представлены сульфидами, дисульфидами, (диметилсульфид, диметилдисульфид), меркаптанами (метилмеркаптан, этилмеркаптан). Из азотсодержащих веществ встречаются метиламин, диметиламин, триметиламин, диэтиламин, пиридин, дибутиламин. Среди углеводородов в выбросах пищевых предприятий содержатся метан, этан, бензин, 3,4-бензпирен.

Неорганические вещества в выбросах представлены оксидами серы и азота, сероводородом, аммиаком.

Пыль, выделяющаяся в пищевых производствах, вызывает у людей не только аллергические раздражения, но и общие заболевания. Hапpимеp, установлено, что пыль, образующаяся при сушке дрожжей, способна вызывать заболевания, являющиеся следствием внедрения в организм и последующего размножения в нем жизнеспособных микроорганизмов, а также нарушения, связанные с действием продуктов жизнедеятельности микроорганизмов, обладающих антибактериальным токсическим действием.

Наиболее актуальна проблема очистки технологических выбросов от пыли при сушке молока и молочных продуктов, хлебопекарных и кормовых дрожжей, сушке и охлаждении сахара-песка, кристаллической глюкозы и т.д. При этих процессах применяются в основном распылительные сушильные установки, сушилки с псевдосжиженным слоем, барабанные сушилки. Интенсификация процесса сушки ведет к увеличению в отработанном воздухе мелкодисперсной пыли, которая большей частью не улавливается существующими пылеотделителями и поступает в атмосферу.

5.2. ГИДРОСФЕРА – СОСТАВНАЯ ЧАСТЬ БИОСФЕРЫ

Состав гидросферы. Понятие гидрологического цикла

Совокупность океанов, морей, озер, рек, болот, а также подземных вод представляет гидросферу, т.е. прерывистую водную оболочку Земли, располагающуюся между атмосферой и твердой земной корой (литосферой). Океаны и моря покрывают почти 3/4 всей земной поверхности и содержат около 94 % всего количества воды на Земле. Остальные 6 % составляют подземные воды (соленые и пресные), ледники, озера, реки и почвенная влага. Но лишь сравнительно небольшая часть из общих запасов воды - пресные воды, пригодные для непосредственного использования в народном хозяйстве.

Пресной называют воду, соленость которой не превышает 1 %, т.е. содержит не более 1 г солей в 1 дм^3. Соленость океанической воды составляет в среднем 35 г/дм³. В табл. 8 показаны единовременные (стационарные) запасы воды в отдельных частях гидросферы. Однако для человека наибольшее значение имеют динамические (возобновляемые) ресурсы пресных вод. Чтобы правильно оценить их, необходимо знание круговорота воды, или гидрологического цикла.

Все части гидросферы связаны между собой в едином круговороте. Его движущая сила - солнечная энергия.

Таблица 8

Распределение воды в гидросфере (по М.И. Львовичу)

Части гидросферы	Объем воды, тыс. км3	Доля от общего объема, %
Мировой океан	1370323	93,96
Подземные воды	60000	4,12
(зоны активного водообмена)	4000	0,27
Ледники	24000	1,65
Озера	280	0,19
Почвенная влага	85	0,06
Влага в атмосфере	14	0,01
Речные воды	1,2	0,0001
Вся гидросфера	1454703	100

По мере того, как молекулы воды на поверхности океана нагреваются под действием солнечного излучения, они постепенно поднимаются в воздух в виде газа.

Подсчитано, что ежесуточно из соленых океанов и морей испаряется примерно 875 км³ пресной воды. По мере поднятия водяных паров они постепенно охлаждаются, конденсируются и образуют облака. После достаточного охлаждения облака освобождают воду в виде дождя или снега, падающих обратно в океан. Часть облаков, однако, движимая ветром, проплывает над сушей, соединяется с испарившейся здесь влагой и также освобождает воду в виде осадка. Таким образом, океан теряет с испарением больше воды, чем получает с осадками; на суше положение обратное. Осадки, выпадающие на сушу, частично просачиваются в почву, частично стекают по поверхности в реку и непосредственно возвращаются в океан - 100 км³ ежесуточно. Грунтовые воды возвращаются на поверхность в виде родников и в результате жизнедеятельности растений (транспирация) табл. 9.

Вода занимает особое положение среди природных богатств Земли - она незаменима. Вода будет необходима во все века и всюду, где существуют земные формы жизни. Особенно возросло значение воды в современный период в связи с интенсивным развитием промышленности, сельского хозяйства и ростом населения.

Таблица 9

Водный баланс земного шара в средний год

Поверхность	Площадь,	Объем, км3
	млн км2	Испарение	Осадки	Сток
Земной шар	510	577000	577000	–
Мировой океан	361	505000	458000	47000
Суша	149	72000	119000	47000
В том числе: область стока в океан	119	63000	110000	47000
Область внутреннего стока, не достигающего океана	30	9000	9000	–

В табл. 10 приводятся данные о динамике суммарного водопотребления по группам потребителей с 1900 по 2000 г. в мире.

Потребление вод сельским хозяйством и промышленностью в настоящее время достигло огромных размеров. Ежегодно человечество расходует около 5500 км³ пресной воды.

Таблица 10

Суммарное водопотребление (числитель) и безвозвратные потери (знаменатель) в мире (км³/год)

Потребитель	1900	1940	1950	1960	1970	1975	1985	2000
Промышленность	30 2	120 6	190 9	310 15	510 15	630 25	1110 45	1900 70
Сельское хозяйство	350 260	660 480	860 630	1500 1150	1800 1500	2100 1600	2400 1900	3400 2600
Изолированные водохранилища	0 0	1 1	4 4	20 20	70 70	110 110	170 170	240 240
Коммунально- бытовые нужды	20 5	40 8	60 11	80 14	120 20	150 25	250 38	440 65
Всего	400 270	820 500	1100 650	1900 1200	2600 1600	3000 1800	3900 2200	6000 3000

По расчетам специалистов потребность в воде на Земле

до 2000 года будет возрастать, в среднем на 3,1 % в год. С развитием промышленности и увеличением водопотребления растет и количество жидких отходов - сточных вод.

Загрязнение Мирового океана

К середине ХХ в. проблема качества воды в той или иной степени коснулась всех стран. В настоящее время вследствие загрязнения природных вод неочищенными или недостаточно очищенными стоками в ряде стран наблюдается недостаток чистой воды. В настоящее время можно говорить о существовании двух каналов поступления загрязняющих веществ в морскую среду. Первый включает непосредственное поступление тех или иных веществ в моря и океаны или их вынос с речным стоком, который приводит к локальному и региональному загрязнению.

Другой источник загрязнения связан с образованием атмосферного резерва техногенных примесей, т.е. с переходом ряда веществ с суши в атмосферу, их последующим распределением в воздушных массах и выпадением на поверхность океана главным образом с атмосферными осадками. Механизмы образования газообразных и аэрозольных примесей и их поступление на морскую поверхность для разных веществ различны, но во всех случаях происходит глобальное загрязнение Мирового океана.

Гидросфера и атмосфера не имеет границ: массы воды в самой гидросфере и через атмосферу перемещаются во всех направлениях, быстро оказываясь за тысячи километров от того места, где они получили дозу загрязнения. О размерах и соотношениях различных потоков основных ингредиентов в Мировой океан можно судить по данным табл. 11.

Мировой океан является источником богатейших биологических, промышленно-сырьевых и энергетических ресурсов, но их эффективное освоение возможно только в случае радикального решения проблемы защиты океанских вод от загрязнения.

Таблица 11

Характеристики производства и скорости поступления в Мировой океан основных загрязняющих веществ

Вещество	Мировая продук-ция, тыс. т в год	Поток в океан, тыс. т в год		Доля атм. Выпаде-ния от суммарн. потока в океан, %	Природный поток, тыс. т в год
		Прямое загрязн. и сток с суши	Атмосфер-ные осадки
Нефть	1820000	5100	600	12	100
Свинец	3000	>3	300	>70	100
Ртуть	9	>0.8	80	>90	3
Кадмий	15	>0.1	10	-	0.5
ДДТ	100	>1	25	>25	0
Альдрин	100	>1	25	>25	0
Фреон	500	-	500	-	-

По имеющимся оценкам, общие мировые ресурсы пресной воды составляют: суммарный речной сток 38 - 45 тыс. км³, запасы пресной воды в озерах - 230 тыс. км³, а почвенной влаги - 75 тыс. км³. Ежегодный объем испаряющейся с поверхности планеты влаги (включая транспирацию растениями) оценивается примерно в 500 - 575 тыс. км³, причем 430 - 500 тыс. км³ испаряется Мировым океаном. На долю суши приходится чуть больше 70 тыс. км³ испаряющейся влаги в год; за это же время в виде осадков на все континенты выпадает 110 тыс. км³ воды.

Значительная часть этого объема не может быть утилизирована, так как теряется во время паводков, остается в почве, проникает в подземные водоносные слои и т.д. Только около 14 тыс. км³ пресной воды в год может использоваться в целях водоснабжения - эта незначительная часть водных ресурсов представляет собой устойчивый или базисный годовой сток. Из этого объема воды примерно 5 тыс. км³ приходится на малопригодные для поселений человека (по климатическим условиям) районы. Таким образом, ”чистый” запас пресной воды, из которого человечество может удовлетворить все свои потребности, составляет примерно 9 тыс. км³ в год.

Наиболее богата водными ресурсами на единицу площади Южная Америка, затем следует Европа, Азия, Северная Америка. Несмотря на то, что водные ресурсы распределены неравномерно, имеющихся на Земле запасов вполне достаточно, чтобы обеспечить возрастающие потребности людей в течение неопределенно продолжительного времени. Но для того, чтобы это стало реальностью при современном уровне научно-технического прогресса, приводящего к критической ситуации с загрязнением гидросферы, необходимо, в первую очередь, принятие законодательств по использованию и охране водных ресурсов с жесткими экономическими требованиями – в отношении водопотребителей: во-вторых, конечно, совершенствование "сухих" технологий, методов очистки сточных вод и систем водоснабжения.

Мировое производство ежегодно связывает химически около 100 млн. м³, промышленность потребляет 215 км³ воды, энергетика 240 км³. сельское хозяйство 4200 км³. Вместе с прямым ростом водозабора на различные хозяйственные нужды человек истощает водные ресурсы косвенным путем: вырубкой лесов, осушением болот, строительством водохранилищ и т.д.

Ежегодно в России в реки сбрасывается около 160 км³ промышленных стоков, а так как большая часть сточных вод не очищается или очищается недостаточно, то они загрязняют более 12% всего речного стока. Предполагают, что в 2000 г. на разбавление промышленных, сельскохозяйственных и бытовых стоков может потребоваться весь речной сток земного шара (даже при условии 6-ти кратного разбавления). Для разбавления

1 м³ неочищенных сточных вод необходимо минимум 20-30 м³ чистой природной воды.

Ежегодно речной сток выносит в Мировой океан 2,3 млн т свинца; 1,6 млн т марганца; 6,5 млн т фосфора; 320 млн т железа. В реки сбрасывают серную кислоту и ее соли, фенолы, пестициды, поверхностно-активные вещества, ядохимикаты, отходы радиоактивного производства. Особенно опасны радиоактивные элементы с продолжительным периодом полураспада, такие как стронций-90, цезий-137. Накапливаясь в теле животных, они по трофическим цепям могут попасть в организм человека, нанося непоправимый вред его здоровью

Загрязнение водной среды наносит социально-экономический ущерб, проявляющийся в увеличении заболеваемости людей и животных, ухудшении роста растений. Основным источником теплового загрязнения водоемов являются тепловые электростанции, особенно атомные. Повышение температуры воды в водоеме интенсифицирует биологические процессы - приводит к "цветению" воды, уменьшению растворимости газов в ней, в том числе кислорода, изменению физических и химических свойств.

В состав сточных вод, содержащих органические вещества, входит масса биогенных элементов, в том числе азот и фосфор. Происходит массовое размножение организмов фитопланктона, в первую очередь сине-зеленых и бурых водорослей. Эти организмы рождаются, отмирают, и масса органического вещества в водном объекте возрастает. Усиленный рост концентрации биогенных элементов приводит к уменьшению кислорода в воде. Вода становится непригодной для жизни, и в ней начинают преобладать анаэробные процессы. Этот процесс называется эвтрофикацией. Эвтрофикация - это повышение биологической продуктивности водных объектов в результате накопления в воде биогенных элементов под действием антропогенных или естественных (природных) факторов. Собственно анаэробные процессы представляют собой вторичное загрязнение воды. Эвтрофикация может быть также следствием смыва азотных и фосфорных удобрений и попадания в воду легкоокисляемых минеральных соединений.

В результате аварии судов, промывки резервуаров танкеров, утечки нефти при добыче ее в шельфовой зоне ежегодно в воды Мирового океана попадает до 12-15 млн т нефти. Каждая тонна нефти покрывает тонкой пленкой примерно 12 км² водной поверхности. Нефтяная пленка способствует гибели оплодотворенной икры, нарушает процессы фотосинтеза и выделения кислорода, осуществляемого фитопланктоном, то есть нарушает газообмен между атмосферой и гидросферой.

Одними из опасных загрязняющих водные ресурсы веществ в настоящее время стали поверхностно-активные вещества (ПАВ), которые все шире применяются в быту и промышленности. Исполняя роль эмульгаторов, вспенивателей и смачивателей, они образуют на поверхности воды обильную пену, покрывающую большие площади. ПАВ снижают способность воды к насыщению кислородом, парализуют деятельность микроорганизмов, разрушающих органические вещества, в то же время сами плохо поддаются биохимическому разложению.

Классификация загрязняющих веществ

Загрязнение поверхностных природных вод - это процесс изменения физических, химических или биологических свойств природных вод при попадании в них различных веществ, которые могут оказать вредное воздействие на человека и природу. Загрязнение природных вод обусловлено многими причинами как естественного, так и техногенного характера. Основными загрязнениями поверхностных или подземных вод являются вещества, микроорганизмы или тепло.

В зависимости от условий образования сточные воды делят на следующие группы.

1. Поверхностные сточные воды, которые образуются в результате смывания дождевой, талой и поливочной водой примесей, скапливающихся на городских улицах, промышленных площадках, крышах и стенах промышленных зданий. Основными примесями этих вод являются твердые частицы, нефтепродукты, органические и минеральные удобрения и др.

2. Бытовые сточные воды промышленных предприятий и городских зданий, содержащие в основном фекалии, ПАВ, микроорганизмы.

3. Производственные сточные воды, образующиеся в результате использования воды в технологических процессах. Их количество, состав и концентрация примесей определяется типом предприятия, его мощностью, видами используемых технологических процессов.

Загрязнения, поступающие в сточные воды, условно можно разделить на несколько групп. По физическому состоянию выделяют нерастворимые, коллоидные и растворенные примеси. Кроме того, загрязнения делятся на минеральные, органические, бактериальные, биологические.

К минеральным загрязняющим веществам относятся песок, глина, различные золы и шлаки, растворы и эмульсии солей, кислот, щелочей и другие неорганические вещества.

Органические загрязняющие вещества - это разнообразные вещества растительного происхождения, а также отходы в виде смол, фенолов, красителей, спиртов, альдегидов и т.д.

Бактериальное и биологическое загрязнения - это бытовые сточные воды и стоки промышленных предприятий (консервные заводы, бойни, предприятия пищевой промышленности, микробиологической промышленности, животноводческие комплексы).

Особый вид загрязнений водных объектов - тепловое (термическое) загрязнение, которое вызывается сбросом в реки и водоемы нагретой воды, используемой для охлаждения агрегатов промышленного оборудования или тепловых атомных станций. В местах выхода тепловых потоков в водоемы создаются зоны, в которых температура выше, чем в водоеме: около 12 ⁰С зимой и 30 ⁰С летом. Это приводит к повышенному накоплению органических веществ в воде, что оказывает отрицательное влияние на биологическую жизнь водоема. Тепловое загрязнение стимулирует рост водорослей, вызывающих "цветение" водоемов.

Загрязнение водных систем представляет большую опасность, чем загрязнение атмосферы по следующим причинам:

1) процессы регенерации или самоочищения протекают в водной среде гораздо медленнее, чем в воздухе;

2) источники загрязнения водоемов более разнообразны;

3) естественные процессы, осуществляющиеся в водной среде и подвергающиеся действию загрязнений, более чувствительны сами по себе и имеют большее значение для обеспечения жизни на Земле, чем те, которые протекают в атмосфере.

Живое вещество создается только при участии воды: для создания 1 г живого вещества требуется 100 г воды. Человек за время своей жизни для ее поддержания потребляет на 1кг своей массы более 1000 кг воды.

Управление качеством воды в водоемах

Особые свойства воды, ее доступность, кажущееся изобилие, ход химических реакций в растворах исторически способствовали созданию "мокрых" технологий практически в любой отрасли промышленности, сельского и коммунального хозяйств, в результате чего на тонну конечной продукции, как правило, "производится" в 10-1000 раз больше загрязненной воды (табл.12).

Таблица 12

Объем сточных вод (м³), образующихся на 1 т готовой продукции

Сахарная свекла	Кожа	Прокат	Серная кислота	Синтетичес-кий каучук	Капрон
13 – 16	82 – 110	1,5 – 10	60 – 140	250	2500

В существующей "мокрой" технологии вода выступает то как сырье, то как энергоноситель, то как транспортное средство, то как промежуточный технологический агент, но всегда - как система, удаляющая отходы.

Загрязнению сейчас подвержены все составляющие гидросферы и все звенья водообмена. Процесс загрязнения гидросферы на огромных территориях неуправляем и слабо контролируем, так как сумма информации о нем мала по объему, оперативности и точности. Загрязнения пока еще мало доступны дистанционным, особенно спутниковым наблюдениям. Между тем, разработка таких методов наблюдения - исключительно важная задача, так как гидросфера - это не только среда прямого антропогенного загрязнения, но и область стока загрязнений из других частей биосферы (атмосферы, литосферы).

Причина сложившейся критической ситуации с загрязнением гидросферы заключается, по крайней мере, в трех стереотипах, сложившихся в процессе тысячелетнего общения человека с водой:

1) "мокрые" технологии - самые доступные и удобные;

2) водные ресурсы велики, возобновляемые и ими можно управлять;

3) способность водоемов к самоочищению относительно велика.

Для изменения сложившейся неблагоприятной тенденции в загрязнении гидросферы необходим отказ от указанных и множества второстепенных сложившихся стереотипов. Изменения технологии, связанной с использованием воды, заключается, прежде всего, во все более широком внедрении водооборотных циклов, в особенности в теплоэнергетике и на атомных станциях. Другое направление изменения технологии, связанное с водой, - это внедрение безотходной технологии, когда все отходы: и твердые, и жидкие полностью утилизируются. Утилизируется при этом и вода, включающаяся в оборотный цикл. Очистка сточных вод в этом случае является не самоцелью, а служит технологическим звеном, в котором получают необходимые конечные продукты, полуфабрикаты или сырье.

Есть еще один технологический путь, обеспечивающий резкое снижение водопотребления и загрязнения, - это разработка и внедрение "сухих" технологий, благодаря которым потребность в воде для производства конечного продукта снижается во много раз. Пример такой технологии показывает нефтеперерабатывающая промышленность, в которой в результате изменения технологии расход воды на переработку 1 т нефти снизился в 100 раз.

Но, несмотря на внедрение безотходных и "сухих" технологий, по-прежнему преобладает пока стратегия очистки сточных вод. Стратегия эта имеет свои недостатки, так как:

1) в результате все равно остается некоторый "твердый отход";

2) полной очистки никогда не получается;

3) затраты на очистные сооружения быстро растут – уже сейчас в ряде случаев они достигают 40 % капитальных вложений в предприятия, не считая эксплуатационных расходов.

Альтернативой существующему положению может быть разработка и решение глобальной проблемы - создание новой концепции развития технологий в отдельных отраслях хозяйства и в целом "технологии жизни". Разработка новой концепции развития "технологии жизни" невозможна без изменения мышления специалистов всех отраслей. Необходимо осознать, что загрязнение гидросферы - это тот же массированный ядерный удар, но растянутый из секунд в десятилетия. Отсчет десятилетий уже идет.

Существует, по крайней мере, три планетарные функции, которые исключительно важны для человека: биологическая продуктивность, которая обеспечивает питанием все живое на Земле; поддержание оптимального гидрологического и газового режимов среды; биогеохимическая очистка. Все эти функции, так или иначе, связаны с гидросферой. Это будет путь познания механизмов самоорганизации природных систем, самоорганизации биосферы, общих законов развития природы и человека как ее неотъемлемой компоненты, путь создания такого взаимодействия, когда каждая сторона будет выигрывать и получать определенную прибыль. Только в рамках таких отношений с природой можно говорить о выживании и развитии человечества в гармонии с природой и ее главнейшей компонентой - гидросферой.

Такое понимание задачи будущего в середине нашего века было сформулировано В.И. Вернадским в его учении о ноосфере.

5.3. ЛИТОСФЕРА – СОСТАВНАЯ ЧАСТЬ БИОСФЕРЫ

Состав литосферы. Почва. Факторы почвообразования

Литосфера - верхняя оболочка Земли, включающая земную кору и верхнюю мантию. Мощность литосферы 50-200 км, в том числе земной коры на континентах 50-75 км и на дне океана -5-10 км.

Верхние слои литосферы (до 2-3 км) называются литобиосферой. Под действием воды, воздуха и живых организмов в верхней части литобиосферы образуется почва - природное образование, состоящее из генетически связанных горизонтов, обладающих плодородием, т.е. способностью производить урожай растений. Изучение почвы, ее свойств началось с глубокой древности.

В древнем Китае, античной Греции и Риме в IV в. до н.э. уже имелись книги с описанием почв. Современное учение о почве создано в последней четверти ХIХ в. русским ученым

В.В. Докучаевым, профессором Петербургского университета. В 1883 г. им был опубликован труд «Русский чернозем», где изложены основы современного почвоведения.

Почва - особое органоминеральное естественноистори-ческое природное образование, возникшее в результате воздействия живых организмов на минеральный субстрат и разложения мертвых организмов, влияния природных вод и атмосферного воздуха на поверхностные горизонты горных пород в различных условиях климата и рельефа в гравитационном поле Земли. Важнейшее свойство почвы - ее плодородие, способность давать урожай растений.

Плодородие почвы определяется физическими и химическими свойствами, которые и составляют эдафические факторы.

Почва - особое органоминеральное естественноистори-ческое природное образование, возникшее в результате воздействия живых организмов на минеральный субстрат и разложения мертвых организмов, влияния природных вод и атмосферного воздуха на поверхностные горизонты горных пород в различных условиях климата и рельефа в гравитационном поле Земли. Важнейшее свойство почвы - ее плодородие, способность давать урожай растений. Плодородие почвы определяется физическими и химическими свойствами, которые и составляют эдафические факторы.

Почва - трехфазная среда, включающая твердые, жидкие и газообразные компоненты. Она представляет собой продукт физического, химического и биологического преобразования горных пород. т.е. формируется в результате сложного взаимодействия климата, растений, животных и микроорганизмов. В результате перемещения и превращения веществ почва расчленяется на слои или горизонты, сочетание которых составляет профиль почвы. Самый верхний горизонт почвы называется гумусовым или перегнойно-аккумулятивным. Он имеет темный цвет, зернистую, комковатую или слоистую структуру. Иногда верхний слой почвы покрывает дернина - слой разлагающихся растительных остатков. В лесных почвах под гумусовым слоем залегает малоплодородный подзолистый слой, имеющий непрочную структуру и более светлый цвет. В черноземных почвах подзолистый слой отсутствует. Глубже расположен иллювиальный горизонт, имеющий второе название - горизонт вмывания. В него вмываются и в нем накапливаются минеральные и органические вещества из вышележащих горизонтов. Этот слой имеет большую плотность и часто окрашен в бурый цвет. Под ним залегает материнская порода, на которой формируется почва.

Более 50 % минерального состава почвы занимает кремнезем (диоксид кремния), от 1 до 25 % приходится на глинозем (оксид алюминия), от 1 до 10 % - на оксиды железа,

от 0,5 до 5 % - оксиды магния, калия, фосфора, кальция. Органические вещества, поступающие в почву с отмершими растениями, представлены белками, жирами, углеводами, восками, смолами, дубильными веществами. Органические вещества в почве претерпевают изменения, они минерализуются. Одним из важнейших физических свойств почвы является ее механический состав, т.е. содержание частиц разной величины табл. 13.

Таблица 13

Классификация частиц почвы

Наименование фракции	Размер частиц, мм
Камни	> 3
гравий	3 – 1
песок крупный	1 - 0,5
песок средний	0,5 – 0,25
песок мелкий	0,25 - 0,05
пыль крупная	0,05 - 0,01
пыль средняя	0,01 - 0,005
пыль мелкая	0,005 - 0,001
ил грубый	0,001 - 0,0005
ил тонкий	0,0005 - 0,0001

Каждая почва характеризуется плотностью, влагоемкостью, влагопроницаемостью, тепловыми свойствами. Большое значение имеет аэрация почв. Химические свойства почвы зависят от содержания минеральных веществ, которые находятся в почве в виде ионов. Некоторые из ионов являются жизненно необходимыми для растений, другие могут быть вредны. Концентрация ионов водорода в почве в среднем близка к нейтральному значению, хотя известковые и засоленные почвы имеют рН 8-9, а торфяные – до 4.

В почве обитают многие виды растительных и животных организмов, влияющих на ее физико-химические свойства: бактерии, водоросли, грибы, простейшие, черви и членистоногие. В почве осуществляются процессы синтеза, биосинтеза, протекают разнообразные химические реакции преобразования веществ, связанные с деятельностью бактерий, которые участвуют в цикле превращения веществ. Основные биохимические процессы в почве протекают в слое до 0,4 метра.

В результате жизни растений почва теряет минеральные элементы, особенно интенсивно идет этот процесс на полях с культурными растениями. Потери эти восполняются путем внесения в почву минеральных удобрений. Однако внесенные минеральные удобрения должны быть трансформированы микроорганизмами в биологически доступную растениям форму. При отсутствии микроорганизмов в почве она теряет плодородие, таким образом, плодородная почва является сложным и чувствительным организмом.

Почва формируется под действием многих факторов, которые называются почвообразующими. К факторам почвообразования относят почвообразующие породы, растительные и животные организмы, климат, рельеф, время, воду и хозяйственную деятельность человека.

Почвообразующие породы - субстрат, на котором образуются почвы; они состоят из различных минеральных компонентов, в той или иной степени участвующих в почвообразовании. В химический состав почвообразующих пород входят следующие элементы: Al, Fe, K, Na, Mg, Ca, P, S, Cu, Mo, I, B, F, Pb, которые представляют ее минеральный состав. Подавляющее большинство химических элементов в почве находится в форме оксидов. В почве распространены также соли угольной, серной, фосфорной, соляной и других кислот.

От характера материнских пород зависят физические свойства почв: водо- и газопроницаемость, водоудерживающая способность, минеральный состав. Эти свойства определяют водный и тепловой режим почвы, скорость передвижения в почве веществ, содержание элементов питания для растений. От характера почвообразующих пород в большой мере зависит тип почв.

Растительность является поставщиком в почву органических веществ. Эти вещества попадают в почву с растительным опадом. Во влажных тропических лесах его годовое количество достигает 250 центнеров на гектар площади. Органическое вещество в почве превращается в гумус, или присутствует в виде белков, углеводов, органических кислот, жиров, дубильных веществ. Зольные вещества пополняют минеральную часть почвы. Неразложившийся растительный материал образует лесную подстилку или степной войлок, от которых зависит газообмен почвы, проницаемость осадков, тепловой режим верхнего слоя почвы, деятельность почвенной фауны и микроорганизмов. Животные организмы являются преобразователями органического вещества в почве. В почвообразовании принимают участие как наземные (полевки), так и почвенные (беспозвоночные, простейшие) животные.

Почвенные животные делятся на питающихся живыми организмами - биофагов и питающихся мертвым органическим веществом - сапрофагов. Сапрофаги влияют на формирование почвенного профиля, содержание гумуса, структуру почв. Огромное значение для развития почвы имеют микроорганизмы: бактерии, низшие грибы, одноклеточные водоросли, вирусы и т.д. Они принимают участие в биотическом круговороте веществ, разлагают сложные органические вещества на более простые. Последние утилизируются как самими микроорганизмами, так и высшими растениями. Почвенные микроорганизмы принимают участие в разрушении токсичных продуктов обмена высших растений, животных и самих микроорганизмов, а также в синтезе ряда витаминов и ростовых веществ, необходимых растениям и животным.

К числу важных факторов почвообразования относится климат. С ним связаны тепловой и водный режим почвы. Водный режим почвы в основном определяется атмосферными осадками и испаряемостью, распределением осадков в течение года, а также их видом. Например, если осадки выпадают в виде ливневых дождей, то вода не успевает проникнуть в почву.

Рельеф - один из факторов перераспределения по земной поверхности тепла и воды. С особенностями рельефа связана поясность почвенного покрова в горах, также характер влияния на почву грунтовых, талых и дождевых вод, миграция водорастворимых веществ.

Почва образуется в течение тысячелетий и располагается по поверхности Земли слоем от 10 до 200 см.

Почва является невозобновимым природным ресурсом. Условия, в которых сформировались современные почвы, на Земле уже не существуют. Процесс восстановления почв, разрушенных естественным путем, идет очень медленно. Вьетнамские специалисты установили, что в условия вьетнамских джунглей прирост почвенного слоя в 1 см происходит за 200-400 лет. Абсолютный возраст почв Восточно-европейской равнины, Западной Сибири составляет от сотен до тысяч лет.

Способность почвы обеспечивать растения питательными веществами, водой, воздухом, теплом называется плодородием почвы. Поскольку климатические условия на земном шаре неодинаковы, то и почвы отличаются большим разнообразием и зональностью.

Наиболее оптимальные условия для формирования почв создавались в зоне луговых степей, где при сравнительно ровном рельефе выпадало достаточное количество атмосферных осадков (500-600 мм/год), климат был умеренно теплым, и развивалась обильная травянистая растительность. В этих условиях образовались наиболее плодородные почвы - черноземы.

B почве, в отличие от горных пород, имеется органическое вещество-перегной (гумус), образующейся из остатков отмерших растений под влиянием деятельности микроорганизмов. Главными элементами питания растений являются N,C,K,P, поступающие из перегноя. Самыми богатыми почвами являются черноземы, содержащие от 6 до 10 % гумуса, самые бедные - подзолистые почвы (1-3 %).

Многообразие почвообразующих факторов, комбинированное их действие привели к образованию на территории РФ несколько десятков типов почв. Достоверные сведения о природном, хозяйственном и правовом положении земель содержатся в специальном государственном документе, который носит название Земельного кадастра.

Из 1707,5 млн га площади Российской Федерации пашня составляет 133,5 млн га, сенокос - 22,8 млн га и пастбища –

59,6 млн га.

Безвозвратное уничтожение почв связано с их эрозией, засолением, горнопромышленными разработками, загрязнением промышленными отходами.

Эрозия почвы - разрушение водой и ветром ее верхнего слоя, смыв или развеевание его частиц и осаждение в новых местах. Водная и ветровая эрозии снижают площадь пашни, плодородие почв, затрудняет обработку полей, разрушает дороги, заливает каналы. Водная эрозия проявляется там, где рельеф местности волнистый, естественный растительный покров разрушен и часто выпадают дожди ливневого характера или очень быстро весной тает снег. Водная эрозия бывает плоскостная и струйчатая. При плоскостной эрозии происходит смыв почвы по всей поверхности склона. При струйчатой эрозии сначала возникают промоины, которые могут перейти в овраги. В нашей стране под оврагами занято около 5 млн. га пашни. Под влиянием хозяйственной деятельности людей возникает ускоренная эрозия. В этом случае почва разрушается и 100-1000 раз быстрее, чем в естественных условиях.

Засоление почв - повышение в почве содержания легкорастворимых в воде минеральных солей: хлоридов, сульфатов, карбонатов натрия, кальция, магния. Засоленными считаются почвы с содержанием солей более 0,25 мас. долей, %.

Постепенно уменьшается площадь пахотной земли за счет строительства городов, в которых велика площадь урбанизированной поверхности, где дождевая вода не просачивается в почву. Разрушению почв способствует вырубка леса.

Загрязнение почв

В результате хозяйственной деятельности человека наибольшему загрязнению подвергается самый верхний слой литосферы. Различают загрязнение почвы и подпочвы.

Загрязнение подпочвы представляет собой поступление в толщу коренных пород антропогенных загрязнителей. Обычно оно идет в ходе вертикального водного стока. С точки зрения загрязнения подпочвы особенно опасно закачивать и захоранивать промышленные отходы в глубинах земли.

Загрязнение почвы - привнесение и возникновение в почвах новых, обычно нехарактерных для нее физических, химических или биологических агентов или превышение естественного среднемноголетнего уровня концентрации перечисленных агентов. Загрязнение почвы меняет ход почвообразовательного процесса, нередко его тормозит, резко снижает урожаи, вызывает накопление загрязнителей в растениях, из которых эти загрязнения прямо или косвенно (по трофическим цепям) попадают в организм человека. Загрязнение почвы приводит к ослаблению самоочищения почв от болезнетворных и других нежелательных организмов, что создает опасность микробиологического загрязнения и возникновение заболеваний. Например, в незагрязненных почвах возбудители дизентерии, тифа сохраняются в течение 2 - 3 сут, а при ослаблении самоочищения почв в результате их загрязнения эти возбудители болезней сохраняются несколько месяцев.

В основном загрязнение почвы может осуществляться четырьмя путями. Это осаждение и попадание в почву пылевых и газовых аэрозолей из выбросов предприятий. Распространение и концентрация вредных веществ в почве будет зависеть от рельефа местности, розы ветров, дисперсности ингредиентов, плотности вещества, высоты выбросов и т.д.

Второй путь загрязнения почвы - это спуск сточных вод в открытые водоемы, воды которых используется для полива полей.

Третий путь загрязнения почвы - прямое использование сточных вод предприятий для орошения полей.

Четвертый путь загрязнений - это вывоз отбросов и отходов за пределы населенных пунктов и городов на неправильно подготовленные кладбища, могильники, свалки, полигоны. Вредные вещества, накопившиеся в поверхностном слое почвы, могут служить источником вторичного загрязнения воздуха, воды открытых водоемов и почвы.

Основными источниками загрязнения почв являются следующие:

1. Жилые дома и бытовые предприятия. Они загрязняют почву бытовым мусором, отходами отопительных систем, пищевыми отходами, строительным мусором, мусором, образующимся в учреждениях, больницах, столовых и т.д.

2. Промышленные предприятия. Загрязнители, поступа-ющие в почву от промышленных предприятий, весьма разнообразны и определяются профилем предприятий. Например, металлургические заводы загрязняют почву солями тяжелых и цветных металлов, машиностроительные - отходами металлов, пластмасс, шлаками, осадками, тяжелыми металлами, цианидами.

3. Теплоэнергетика. Объекты теплоэнергетики вносят в почву массу шлаков, сажи, золы, оксидов серы, которые, выделяясь с дымовыми газами, в конечном счете, оказываются в почве.

4. Сельское хозяйство. Сельскохозяйственные предприятия загрязняют почву ядохимикатами, избыточными количествами удобрений. Большинство ядохимикатов представляют собой либо соединения тяжелых металлов, либо синтетические органические соединения. Ядохимикаты или пестициды - это вещества, используемые для защиты растений, сельхозпродуктов, древесины, хлопка, кожи, для уничтожения паразитов животных и переносчиков заболеваний. Все ядохимикаты - токсичные вещества, многие из них устойчивы и длительное время сохраняются в почве.

5. Транспорт. При работе двигателей автотранспорта на почву оседают свинец, углеводороды, сажа, оксиды азота. Например, один грузовой автомобиль выделяет 2 -3 кг свинца в год.

Значительный вред почвам наносят загрязнения тяжелыми металлами. Особую опасность представляют такие металлы, как ртуть, кадмий, никель, свинец, мышьяк, цинк. Одним из самых опасных токсичных веществ (канцерогенов), попадающих в почву с отходами промышленного производства, является ртуть. Изучение миграции соединений ртути показывает, что верхние слои нормально развитых почв обладают очень высокой сорбционной способностью и вымывание ртути из них незначительно. Другим канцерогеном, губительно влияющим на все живые организмы (в том числе и почвенные), является свинец. Существуют естественные и антропогенные источники поступления свинца в почву.

Естественные источники - это в основном продукты выветривания горных пород. Мощность антропогенного поступления свинца составляет 2,0 10⁴ т/год. К числу наиболее важных антропогенных источников поступления свинца в воздух, а из него в почву относятся следующие: сгорание этилированного бензина и других видов топлива, ядохимикаты различного назначения.

С постоянным расширением ассортимента и увеличением количества используемых средств химизации сельскохозяйственного производства возрастает опасность глобального загрязнения атмосферы. Пестициды - биологически активные вещества оказывают многообразное, часто отрицательное влияние на окружающую среду. Одним из наиболее важных свойств, обуславливающих миграцию пестицидов, является их сравнительно низкая растворимость. Одним из показателей поведения пестицидов в почве и в других природных системах является скорость и характер изменения их концентрации во времени. Уменьшение содержания препаратов в почве и растениях со временем выражается периодом полураспада вещества. Значение этого показателя определяется временем, необходимым для того, чтобы пестицид потерял не менее 95 % своей активности при нормальных условиях и обычной интенсивности применения.

Основными путями загрязнения пищевых продуктов являются поглощение и накопление пестицидов растениями. Единого мнения о путях проникновения пестицидов в растения нет. Интенсивность поглощения пестицидов растениями может определяться типом почвы. Чем выше сорбционная способность почв, тем меньше пестицидов поглощается растениями.

Усвоение пестицидов растениями зависит также от типа самой культуры, строения и свойств пестицида. При выборе пестицида должен быть решен вопрос нормирования остаточных количеств препаратов в продуктах питания.

Искусственное внесение в почву различных веществ в качестве удобрений должно осуществляться очень осторожно и требует всесторонней качественной оценки. Рассмотрим только один пример, когда недоучет какого-либо фактора может привести к глобальным катастрофам. В настоящее время для повышения урожайности широко используется в качестве удобрения хлористый калий (КСI). А калий состоит из двух изотопов, один из которых, калий-40, является радиоактивным. Правда, содержание его во всем калии не выше одной сотой доли процента. Без всесторонней оценки кажется, что радиоактивного калия очень мало, все требуемые параметры, в том числе и ПДК, учтены и данное удобрение можно применять в широких масштабах. Но рассмотрим эту проблему более глубоко, с точки зрения влияния радиоактивности на наши будущие поколения. Только в нашей стране ежегодно вносят в почву

6 млн т удобрений, в которых содержится 4,5 млн кюри радиоактивного калия. Если бы период полураспада был небольшим, то радиоактивность успевала бы рассеиваться, как это наблюдается у короткоживущих изотопов. Тогда такой радиоактивный распад не влиял бы в будущем на здоровье будущих поколений. Но у калия-40 период полураспада равен 1,3 млрд лет, его радиоактивность практически не рассеивается, а, наоборот, в связи с ежегодным «удобрением» возрастает вдвое. Применение таких удобрений может привести со временем к нарушению равновесия и глобальным изменениям даже в животном и растительном мире. Поэтому одной из важнейших задач является нормирование применения химических веществ, попадающих в почву, и всесторонняя оценка влияния их на организм по звеньям биологической цепи.

Самоочищение почв протекает очень медленно, можно сказать, что практически самоочищение почв не происходит, поэтому вредные вещества, внесенные в почву, в ней накапливаются, переходят в растения и движутся по трофическим цепям, конечным звеном которых часто является человек.

5.4. Экологические кризисы и катастрофы

В истории планеты многочисленны примеры экологических кризисов и катастроф различного масштаба. Они неоднократно потрясали биосферу, несли гибель многим видам живого и существенно меняли генотипический состав биоты. Нарастание негативных последствий антропогенного воздейст­вия на биосферу привело к современной кризисной ситуации в ней.

Кризисы, бедствия и катастрофы — это нарушения природного экологического равновесия, потеря устойчивости биологическими системами. При этом кризисы не разрушают систему полностью, а приводят ее в состояние неустойчивости, из которого возможен выход к изменению уровня функционирования или управления системой, либо к гибели системы. Таким образом, кризис может быть и обратимым. Катастрофа комплекс изменений в системе, которые ведут к ее исчезновению. При катастрофе нарушается одновременно большое количество взаимосвязей, прекращает функционировать систе­мообразующий фактор, и система, как таковая, перестает су­ществовать.

Катастрофы в биосфере за время ее существования не оставляли генотипических следов, ибо приводили к вымиранию большого количества видов. После этого вымирания проис­ходили крупные эволюционные перестройки, появлялись но­вые виды, значительно отличавшиеся по своей организации от предшествующих.

Причинами катастроф были необратимые природные явления (локальные засухи, моры), а также перестройки (прежде всего климатические) во всей биосфере, связанные с периода­ми горообразования, глобальных потеплений или похолода­ний, образования, движения или таяния ледников. Во время тех древних катастроф вымирало более половины всех живущих на Земле видов, причем исчезали климаксные (устойчи вые) сообщества и планета заселялась как бы заново, уже другими видами, которыми начинались новые (первичные) сукцессионные ряды.

В наши дни более 90% мировых стихийных бедствий приходится на наводнения, ураганы, землетрясения и засухи. Ос­тавшиеся 10% в сумме составляют сели, цунами, торнадо, снегопады и т. п. По материальному ущербу для человека наибо­лее значимы наводнения, а по числу человеческих жертв — ураганы.

Особенности антропогенного воздействия на биоту

Антропогенное воздействие на биоту имеет важные особенности:

• нелинейность дозового эффекта различных чуждых ве­ществ или излучений на биологические системы, т. е., как правило, действие малых доз зачастую является не­соразмерно сильным. Нелинейность дозового эффекта выражается в том, что для некоторых веществ (напри­мер, опасных канцерогенов) или ряда мутагенных фак­торов (например, ионизирующей радиации) безопас­ных доз и концентраций просто не существует;

• наличие кумулятивного эффекта, т. е. накопление не­благоприятного воздействия на организм. В частности, в организме человека кумулятивный эффект загрязне­ний проявляется в виде накопления стресса, общей ус­талости, напряжения, переходящих в предболезнь;

• синергическое, т. е. совместное, действие. Если даже малые концентрации каких-либо химических веществ действуют на один и тот же организм одновременно, то возможен самый разнообразный интегральный эффект. Одни вещества могут усиливать или ослаблять действие других, а в некоторых случаях возможен неожиданный результат;

• наличие генотипических, иммунологических и индивидуальных различий в чувствительности к тем или иным воздействиям, т. е. для всех живых организмов харак­ - терны различия в чувствительности мишеней. На при­мере критических периодов онтогенеза видно, что такая разница в чувствительности может быть очень велика. Так, во время формирования у эмбриона какого-либо органа самая ничтожная доза химического вещества такого, как аспирин или легкое снотворное может вызвать уродство, тогда как на взрослый организм эта же доза не окажет неблагоприятного эффекта.

Антропогенные воздействия могут быть сравнимы с факторами естественного отбора. В конечном счете суммарное воздействие на человека антропогенно измененных факторов окружающей среды происходит аналогично естественному отбору и проявляется в форме бесплодия, предродовой и послеродовой смертности. В старых промышленных районах населе - ние благодаря генетической адаптации оказывается более устойчивым к загрязнениям.

Для многих загрязнений характерно триггерное ( триггер – спусковой крючок) дейст­вие, а именно то или иное загрязнение может вызвать цепную реакцию, начинающуюся с какого-то одного наиболее чувстви­тельного вида. Далее реакция передается по трофической сети и ведет к тому или иному поражению целой экосистемы.

Например, хлорфторуглероды (фреоны) оказывают токсическое действие на организм человека, но при малых дозах эф­фект не заметен. Одновременно эти газы относятся к «парни­ковым», и при их накоплении в атмосфере возникают такие глобальные изменения, как перераспределение осадков или потепление. Результатом присутствия фреонов в атмосфере яв­ляется разрушение озонового слоя и, как следствие, повышение мутагенного эффекта ультрафиолетовых лучей Солнца. Анализ всей цепочки воздействия на биоту показывает, что да­же небольшие концентрации этих веществ ведут к значитель­ным изменениям в организме.

История антропогенных экологических кризисов

История биосферы богата примерами локальных эколо­гических кризисов. Они случались как до появления человече­ства (по одной из версий – появление самого человека является следствием доантропогенного экологического кризиса аридизации, случившегося около 3 млн лет назад), так и во время его существования. В районах, постра­давших от неумелого хозяйствования человека, «свет цивили­зации постепенно затухал, зато с новой силой и новым блеском он вспыхивал в других районах земного шара. Подобными кризисами, вызванными антропогенными воздействия­ми, принято считать следующие:

Кризис перепромысла животных (кризис консументов). Это был первый антропогенный экологический кризис, который произошел 10—50 тыс. лет назад в результате интен­сивного развития охоты. Выход из кризиса был найден в ходе сельскохозяйственной революции, ознаменовавшейся перехо­дом к производящему хозяйству.

Кризис примитивного поливного земледелия (кризис продуцентов). Он возник около 2 тыс. лет назад в связи с повы­шением производительности сельского хозяйства и появлени­ем излишков продукции, которые можно было менять или продавать. Кризис был вызван истощением плодородия почв. Решить проблему удалось в результате второй сельскохозяйст­венной революции, переходом к широкому освоению неполив­ных земель.

Кризис перепромысла растительного материала (кризис продуцентов). Этот кризис принято считать вторым ант­ропогенным кризисом, который произошел 150—350 лет на­зад. В ходе промышленной революции он заставил челове­чество начать интенсивное использование ископаемых источ­ников энергии (угля, торфа, нефти, газа и др.), что совместно с другими процессами вызвало дисбаланс в энергетических процессах биосферы.

Кризис физического и химического загрязнения биосфе­ры (кризис редуцентов). Далее 40—60 лет назад, в связи с развитием научно-технической революции начался и продол­жается в настоящее время третий антропогенный или гло­бальный кризис, который уже не в состоянии справляться с разложением всего постоянно растущего «антропогенного бу­кета загрязнений». Особые проблемы возникают с теми впер­вые синтезированными человеком веществами, которые не имеют природных аналогов, и, следовательно, для которых в природе нет систем (организмов или абиотических процес­сов), способных редуцировать эти вещества до исходных хими­ческих элементов.

Современный экологический кризис

Уже более 100 тыс. лет наблюдается антропогенное воздействие на биосферу, которое возрастает нелинейно, а в по­следние 40—50 лет — в режиме самоускорения (или обо­стрения).

В наши дни третий антропогенный кризис дополнился четвертым глобальным термодинамическим (тепловым) кризисом или энергетическим кризисом потребления. Кроме научно-технической революции, он вызван кризисом сознания и увеличением по­требления, т. е. идеалы потребительства стали превалировать над прежними идеалами человечества.

Термодинамический кризис вызывает климатические из­менения в биосфере, связанные с парниковым эффектом, воз­никающим из-за загрязнения атмосферы парниковыми газами. Растущее потребление энергии и выделение парниковых газов грозит планете глобальной экологической катастрофой. Может произойти повышение уровня Мирового океана и затопление прибрежных земель (таких, как земли се­верной Европы) и многих крупных городов. Кроме этого, уже сейчас наблюдаются локальные кризисные климатические си­туации, связанные с возникновением торнадо, смерчей, резки­ми перепадами погоды, наводнениями — все это результат на­рушения термодинамического режима нашей планеты. Вы­брос газов в атмосферу ведет еще к двум опасностям — выпадению кислотных осадков и разруше­нию озонового слоя.

В результате нарастания самоускоряющихся негативных процессов (демографического взрыва, уничтожения биологи­ческих видов и целых экосистем, истощения природных ре­сурсов, а также загрязнения окружающей природной среды) биосфера в наше время оказалась в состоянии экологического кризиса и далее более того — на грани экологической катастро­фы. Главными чертами этого кризисного со­стояния являются: истощение ресурсов, перенаселение, а так­же загрязнение биосферы ксенобиотиками, т. е. чуждыми для нее веществами. Основные критические процессы в биосфере — это достижение человеком и значительное (в наши дни на по­рядок) превышение порога энергетического лимита; разруше­ние природных экосистем.

В 1900 г. естественные экосистемы суши были разрушены на 20% , а сейчас — уже на 63%. Разрушаются также морские экосистемы, прежде всего внутренние моря.

В XX в. антропогенное воздействие усилилось. В начале века человечество потребляло примерно 1% чистой первичной биосферной продукции, а к концу века уже 10%. Кроме того, первичная продукция оказалась разрушена еще на 30%; при этом часть ее перераспределилась человеком в пользу сопро­вождающей фауны, т. е. домашних животных, крыс, мышей, тараканов, микроорганизмов. В результате нарушается круго­ворот биогенов, меняется их естественная концентрация во всех средах, а в итоге постоянно снижается биоразнообразие. По некоторым подсчетам в настоящее время ежегодно гибнут тысячи биологических видов.

Всякая живая система, используя обратные связи, всегда стремится к самосохранению. Система обратных связей в био­сфере направлена на элиминацию (исключение, устранение, в палеонтологии – избирательное уничтожение отдельных особей или целых групп организмов в результате естественного отбора) человека как вида. Увели­чивается генетический «груз» человечества, отмечается рост психических и нервных заболеваний, снижается общая сопро­тивляемость болезням, усиливается стресс перенаселения в го­родах, агрессия, страх и т. д. Человек для оправдания назва­ния своего вида «Человек разумный» должен планировать дальнейшую деятельность так, чтобы сохранить оставшуюся и по возможности восстановить утраченную биоту планеты за счет естественной саморегуляции природной среды. Современная эпоха характеризуется нарастающей необхо­димостью соблюдения экологического императива ( от лат. – повелительный, т. е. повеление, настоятельное требование, всеобщий обязательный закон), т. е. жест­кого требования учитывать в хозяйственной деятельности человека природные экологические законы и ограничения, а также не превышать пределы экологической емкости при­родных экосистем. Емкость природных экосистем определяет­ся их способностью к регенерации изъятых ресурсов и к вос­становлению основных природных «резервуаров» (воздушного и водного бассейнов и земель), а также мощностью потоков биогеохимического круговорота. Если не учитывать экологи­ческую емкость природных экосистем при развитии производ­ства или при заселении каких-то участков земли, то возможны локальные кризисные ситуации. На основе данных о емкости биосферы были проведены расчеты энергетического лимита хозяйственной деятельности че­ловечества. Получено, что лимит составляет 0,74 – 10¹² ТВт, тогда как валовая мощность энергетики современного общества (включая энергию ископаемых топлив), по данным В. Г. Горш­кова, оценивается в 18 -10¹² ТВт или в 24 раза больше допус­тимой величины.

Энергетика природных биоценозов построена таким обра­зом, что микроорганизмы (мелкие грибки и бактерии) потребляют примерно 90% энергии растительной биомассы, мелкие беспозвоночные животные — еще около 10%, а крупные жи­вотные (в том числе позвоночные) — всего 1%. Все организмы имеют малый коэффициент полезного действия, и их роль и биоте заключается в тонкой настройке функционирования со­обществ. Следовательно, человек в естественных границах биосферы должен потреблять не более 1% добытой энергии, т. е. тратить только 1% на свои нужды, а 99% -— на поддержа­ние биоты.

Биота является на данный момент единственным механиз­мом результативного управления окружающей природной сре­дой, в которой только и может существовать человек. Сейчас энергетическая мощность биоты составляет примерно 1/1000 количества приходящей на Землю солнечной энергии. Столь малая часть регулирует климат, формирующийся за счет ос­тального количества солнечной энергии. Увеличение доли би­оты приведет к дисбалансу в климате планеты. Поэтому вели­чина 1/1000 и является энергетическим лимитом, т. е. естест­венным барьером для дальнейшего увеличения хозяйственной деятельности человека.

Силу антропогенного воздействия молено оценивать по сле­дующим основным критериям:

• вероятности сохранения природных экосистем;

• вероятности сохранения здоровья человека;

• хозяйственному значению.

Сохранность экосистем, как правило, оценивается:

• по шкале обилия, т. е. шкале биопродуктивности (в ча­стности, для растений об этом судят по проценту покры­тия растительностью почвенного слоя);

• по шкале разнообразия, включающей несколько индексов биологического разнообразия, обычно учитываемых при мониторинге.

Таким образом, современное человечество находится на пороге экологической катастрофы, и непременным условием его дальнейшего существования является сохранение биосфе­ры. Для этого следует выбрать такой путь развития цивилиза­ций, при котором как можно быстрее удастся резко умень­шить (в несколько раз) антропогенное давление на природную среду и тем самым оградить биосферу от разрушения.

Пути выхода из экологического кризиса: регулирование рождаемости, устойчивое развитие в глобальной системе «Общество-природа», Рацио нальное управление природными ресурсами, поиск альтернативных источников энергии, переход на новые вещества и технологии, которые позволяют уменьшить выбросы загрязнителей, рациональное использование минеральных ресурсов, снижение темпов сведения лесов, принятие оптимальной, экологически обоснованной стратегии сельского хозяйства, сохранение природных сообществ.