21.2. Техногенные геохимические процессы и системы на урбанизированных территориях
Под техногенезом понимают преобразование ландшафтов и его компонентов под воздействием хозяйственной деятельности человека с использованием машин, приборов и технологий. Совокупность геохимических и минералогических процессов, вызванных деятельностью человека, образует техногенные геохимические процессы. С техногенезом тесно связана техногенная миграция веществ и элементов, которая протекает в техногенной системе. Техногенная миграция химических элементов – одна из четырех форм их перемещения наряду с механической, физико-химической (водной), биогенной и атмосферной миграцией.
Основу техногенной геохимической миграции заложили в начале XX века В.И. Вернадский и А.Е. Ферсман. Было выявлено, как зависит использование элемента от его положения в периодической системе, размеров атомов и ионов, величины кларков. Часть Земли, охваченную техногенезом, В.И. Вернадский предложил называть ноосферой. Своеобразие ноосферы определяется приоритетом техногенной миграции над другими ее формами, а также постоянным ускорением миграции атомов (за десятки лет рассеиваются по земной поверхности месторождения полезных ископаемых, которые формировались природой миллионы лет, ежегодно из недр извлекается больше металлов, чем выносится речным стоком и т.д.).
Влияние человека на ландшафты проявлялось с доисторических времен, однако наиболее существенные изменения круговорота элементов под влиянием антропогенных факторов стали заметны во второй половине XX века. Изъятие из недр и накопление на земной поверхности большого количества многих веществ обусловило сдвиги некогда достаточно устойчивого равновесия между природными процессами и биологической эволюцией. Дальнейшее развитие общества возможно лишь при должной оптимизации геохимических условий. Зачастую при поиске путей таких изменений техногенные процессы рассматриваются как нежелательные, чуждые природе. В.И. Вернадский показал, что деятельность человека – это факт природного явления, закономерного и обусловленного эволюционным развитием биосферы как среды «жизни и разума». И поэтому многие экологические проблемы могут быть решены путем разумного управления техногенной миграцией.
Все техногенные геохимические процессы, согласно Н. С. Касимову и А. И. Перельману, могут быть условно разделены на две группы:
унаследованные от биосферы, хотя и претерпевшие изменения;
чуждые биосфере, не существовавшие в ней ранее.
Как и в природных ландшафтах, на территории городов протекает биологический круговорот, элементы мигрируют в атмосферном воздухе и в водах, концентрируются в почвах и донных отложениях водоемов. Процессы же второй группы протекают в резком противоречии с природными условиями. Характерное для современного природопользования металлическое состояние Fe, Al, Cu, Zn не соответствует физико-химическим условиям земной поверхности, и приходится тратить много энергии, чтобы получать и поддерживать металлы в свободном виде.
Использование минерального сырья и сжигание органического вещества для получения энергии резко усилили выход элементов, содержавшихся в литосфере в неактивном виде, в такое состояние, когда они легко участвуют в процессах обмена между абиотическими и биотическими компонентами экосистем. Элементы, которые наименее распространены в природе и фактически неподвижны из-за низкой растворимости их соединений, являются наиболее токсичными для живых организмов. Поскольку горнодобывающая промышленность и металлургия извлекают именно эти элементы, деятельность человека оказывает самое значительное и все усиливающееся воздействие на естественный круговорот этих элементов и их взаимодействие с живыми организмами (рис. 21.1).
В последние десятилетия все больше производится химических соединений ранее в ландшафтной сфере не существовавших и обладающих свойствами не присущими природным материалам (искусственные полимеры, пластмассы, пестициды и др.). Новым явлением стало получение радиоактивных изотопов, производство атомной энергии. Такие процессы перемещения вещества как экспорт-импорт подчиняются социальным законам. Для анализа подобных процессов и их оптимизации разрабатываются новые научные подходы.
Рис. 21.1. Увеличение мирового производства металлов за период 1930-1990 гг., (n раз) [102].
Классификация техногенных геохимических процессов на урбанизированных территориях. Техногенные геохимические процессы обусловлены хозяйственной деятельностью человека. Они могут иметь механическую, физико-химическую или биогеохимическую природу. Многие процессы возникли только в результате человеческой деятельности (получение металлов в свободном виде; синтез веществ, неизвестных в природе; производство радиоактивных изотопов и т.д.
Техногенные процессы могут быть систематизированы по разным критериям: режимам (постоянные, периодические), модулям нагрузки на среду (слабые, средние, сильные, катастрофические) источникам воздействия (радиоактивные, бытовые, промышленные, добывающие), объемам (малый, средний, высокий) и составу выбросов, стоков (природные, искусственные, смешанные) и др. [41]. В наиболее общем виде поступление техногенных веществ в природную среду и их дальнейшее взаимодействие описывает классификация Н. П. Солнцевой (рис. 21.2).
Техногенные источники в урбанизированных системах. Влияние техногенеза на геохимические процессы в городах в значительной мере определяется количеством источников эмиссии техногенных веществ, их видом, мощностью, а также взаимным расположением. Особенность крупных городов – наложение зон воздействия различных производств и видов хозяйственной деятельности, что приводит к формированию сложных по составу и структуре техногенных геохимических аномалий.
К техногенным источникам в городах относятся промышленные предприятия (стационарные источники), транспорт, коммуникационные системы, коммунальное хозяйство. Техногенные вещества поступают от них в городскую среду в составе потоков трех видов: 1) выбросов в атмосферу от стационарных и передвижных источников, 2) сточных вод, 3) твердых и жидких отходов. Иногда вещества всех этих потоков объединяют под названием «техногенные отходы».