I.3. Экологические основы рационального природопользования

(содержание III учебного модуля)

Основные типы биогеохимических циклов и их особенности. Глобальные круговороты углерода, воды, кислорода, азота, фосфора и серы. Влияние антропогенной деятельности на глобальные круговороты биогенных элементов. Помехи в экосистемах. Антропогенный стресс и токсичные отходы, как лимитирующие факторы. Тепловое, акустическое и электромагнитное загрязнение атмосферы. Пределы роста величины энергопотребления человека. Правило 1 % или немногих процентов. Естественные экосистемы как источник ресурсов. Критерии и принципы рационального использование ресурсов биосферы. Понятие о квотах и стоимости ресурсов. Тенденции развития естественных и искусственных экосистем, поиск компромисса (принципы реализации процессов в биосфере и техносфере). Законы экодинамики Голдсмита и "железные" принципы охраны природы Эрлиха.

Контрольные вопросы к третьему учебному модулю

В результате самостоятельного изучения данного раздела учебного курса студент должен знать как ответить на следующие контрольные вопросы.

1. Роль круговоротов веществ в биосфере и основные типы биогеохимических циклов.

2. Круговороты основных биогенных элементов. Влияние на них антропогенной деятельности и последствия этого воздействия в настоящем и будущем.

3. Механизмы обратной связи в экосистемах и их роль. Примеры действия механизмов обратных связей.

4. Стрессовое состояние экосистем, антропогенный стресс и токсичные отходы - лимитирующие факторы техносферы. Основные последствия стрессового сос­тояния экосистем для биосферы в целом.

5. Техногенное физическое воздействие на окружающую среду, основные последствия воздействия техногенных физических факторов на естественные экосистемы.

6. Естественные экосистемы - основной источник возобновляемых ресурсов на планете.

7. Критерии рационального использования возобновляемых и невозобновляемых ресурсов биосферы.

8. Пределы роста численности и энерговооруженности человечества (господствующие гипотезы и собственная точка зрения).

9. Экологический кризис в России и пути его преодоления.

10. Стратегия выживания человечества, поиск компромисса (устойчивое развитие).

Задачи к третьему учебному модулю

Задача 3.1

По оценкам экспертов, проживающим в настоящее время 5,6 млрд. человек для удовлетворения их потребностей необходимо около 10 % годовой продукции биосферы. По прогнозам население планеты будет стабилизировано к 2100 г. на уровне 12 млрд. человек. Какое ко­личество годовой продукции биосферы будет потреблять человечест­во к этому времени и какие возможные последствия этого потребления?

Задача 3.2

Достижение нынешнего населения (5,6 млрд. чел.) современного "аме­риканского стандарта" жизни привело бы к тому, что всего за 50 лет были бы использованы все ресурсы планеты (как сырьевые, так и энергетичес­кие). К 2100 году население планеты может составить 12 млрд. чело­век. По оптимистическим прогнозам человечество к этому времени будет использовать до 50 % возобнов­ляемых сырьевых и энергетических ресурсов (в настоящее время потребляется около 5 %). Оцените, на сколько хва­тит ресурсов биосферы для 12 млрд. человек, если все население планеты к тому времени будет жить на уровне настоящего "амери­канского стандарта" жизни.

Задача 3.3

Анализ современного круговорота углерода показывает следующее:

- Мировой океан поглощает не менее 4 Гт С/год, из них не менее 2 Гт С/год поглощает океана;

- ископаемый углерод выделяется в атмосферу, в основном, за счет сжигания топлива со скоростью 5 Гт С/год;

- в атмосфере накапливается 5 Гт С/год.

Очевидно, что изменение содержания углерода происходит только в 4-х средах: атмосфере, ископаемом топливе, океане и биоте суши.

1. Оцените вклад распадающейся биоты суши в эмиссию углерода в ат­мосферу.

2. Полученное значение сравните с вкладом человечества и сделайте соответствующие выводы.

Задача 3.4

Оцените уровень изъятия первичной биологической продукции в Ива­новской области и сделайте соответствующие выводы, если числен­ность населения области составляет 1,297 млн. человек, а земель­ный фонд области - 2,3425 млн. га, в том числе (млн. га):

- сельскохозяйственные угодья - 1,163 (из них пашня 0,6149);

- под населенными пунктами - 0,1083;

- земли промышленности, транспорта и т.д. 0,1779;

- земли лесного фонда 0,8816.

В оценках принять, что мощность синтеза биоты на Европейской части РФ составляет около 25 т/(гагод).

Задача 3.5

Оцените, превышен ли порог потребления первичной биологической продукции (обоснуйте его величину) на территории РФ, если на каждого жителя в среднем приходится 11,5 га территории со сред­ней величиной первичной биологической продуктивности 20 т/(гагод). Каждый житель РФ полностью потребляет первичную биологи­ческую продукцию с территории 1,89 га.

Задача 3.6

В настоящее время в атмосфере содержится 1,210¹⁵ т кислорода. Биологические потребности населения планеты в кислороде (дыха­ние, Vb) оцениваются в 2 млрд. м³/сутки, а техносфера, созданная человеком, поглощает кислорода около 60 млрд. м³/сутки (без учета сжигания ископаемого топлива). Ежегодно за счет сжигания ископаемого топлива в атмосфере накапливается

C = 5 Гт углерода.

1. Оцените промежуток времени, через который содержание кислорода в атмосфере уменьшится на 1 % при сохранении нынешней тенденции развития человечества.

2. Какие факторы, с точки зрения устойчивости биосферы, в целом, за оцененный промежуток времени будут играть более важную роль, чем возможное уменьшение содержа­ния кислорода в атмосфере?

Задача 3.7

В настоящее время в интегральных показателях потребление выража­ется следующими цифрами: на каждого человека добывают и выращи­вают примерно 20 т сырья. Это сырье с помощью 2.5 кВт и 800 т воды перерабатывается в конечные продукты массой 2 т, идущие на пря­мое потребление (из 2 т конечного продукта в течение того же го­да выбрасывается не менее 1 т, а оставшаяся 1 т - это "отложенные" отходы). Оцените какую долю составляет техногенный поток вещества, от объемов веществ, вовлекаемых в круговорот экосисте­мами суши. Объясните основные отличия техногенного круговорота веществ от биотического.

Задача 3.8

В естественных лесах до 90 % солнечной радиации поглощается листвой и затрачивается на транспирацию, а в преобразованных че­ловеком агроэкосистемах на транспирацию затрачивается только 40 % солнечной энергии. За последние 10 000 лет, то есть время су­ществования человечества, площадь лесов Мира уменьшилась в 2 ра­за и сейчас леса занимают около 25 % территории суши. Оцените, во сколько раз уменьшилась транспирация влаги зелеными растениями к настоящему времени, как это влияет на "малый" круговорот воды и к каким последствиям приводит.

Задача 3.9

Население развитых стран оценивается примерно в 23 % от общего населения планеты, доля потребления ими энергоресурсов достигает 80 % (например доля населения США около 5 %, а потребление энер­горесурсов - 25 % от мирового). Энергопотребление человечества составляет 10 ТВт, мощность развиваемая биотой (продуктивность биоты) - 100 ТВт, а поток солнечного излучения, поступающего на поверхность земли имеет порядок 10⁵ ТВт. Оцените энергопотребле­ние человечества при достижении "современного американского стандарта жизни" и сравните найденную величину с мощностью биоты планеты. Обоснуйте экологический предел потребления энергоресур­сов человечеством и сделайте соответствующие выводы.

Задача 3.10

В настоящее время уровень образования кислорода в процессе фотосинтеза оценивается в 6,810¹⁵ моль ежегодно. Основная масса этого кислорода связывается снова в неорганические соединения в процессе дыхания живых организмов и окисления остатков их жизнедеятельности. Ежегодно остается неиспользованной незначительная часть биотического кислорода, примерно 310¹⁰ моль. Оцените время, необходимое для достижения современного уровня содержания кислорода в атмосфере (1,510¹⁵ т), если учесть, что около 90 % оставшегося биотического кислорода затрачивается на естественное неорганическое окисление (выветривание).

Задача 3.11

По оценкам только 1/1000 часть ископаемого углерода и его соединений образуют 6,510¹² т месторождений доступных для эксплуатации. Оцените потребности кислорода на полное сгорание ископаемого топлива и убыль его содержания в атмосфере. Каким образом изменение содержания О₂ в атмосфере при полном сгорании ископаемого топлива отразилось на жизнедеятельности живых организмов?

Задача 3.12

На каждого жителя США на изготовление мебели, бумаги, построек и т.д. ежегодно расходуется 5,25 га леса. Оцените:

1. Способны ли дать такое количество продукции леса территории США (численность населения ~ 250 млн. человек, площадь территории - 9,373 млн. км², лесистость территории ~ 20 %)?

2. За счет каких источников покрывается потребность в древесине США?

3. Площадь лесных насаждений на территории Земли, если каждый житель планеты имел бы такой же уровень потребления, как и житель США.

Задача 3.13

В среднем почва формируется со скоростью 12,5 т/га в год, что составляет слой почвы толщиной 0,04 см. Следовательно, почвы могут выдерживать эрозионные процессы, инициируемые воздействием человека, протекающие с такой же скоростью (в настоящее время средняя скорость эрозии почв в 2-10 раз выше допустимой). По данным института мировой статистики ежегодные потери почвы с полей достигают 23 млрд. т. Учитывая, что средняя чистая первичная продукция с культивируемых земель составляет 0,65 кг/(м²год), оцените:

1. Какое количество первичной продукции можно было бы ежегодно собирать с этого снесенного (потерянного) эквивалентного пахотного слоя (толщину пахотного слоя принять равной 20 см)?

2. Проведите аналогичные оценки за 10 лет.

Задача 3.14

На основании анализа биотического круговорота фосфора попытайтесь дать ответы на следующие вопросы.

1. Какие геосферы охватывает круговорот фосфора?

2. В синтезе каких важных соединений в биологических объектах участвует фосфор?

3. Чем грозит избыточный сброс соединений фосфора в поверхностные воды?

4. Перечислите основные источники соединений фосфора в поверхностные воды?

5. Укажите основные процессы трансформации фосфора в почвах.

6. В чем проявляется вмешательство человека в круговорот фосфора?

Задач 3.15

На базе анализа круговорота серы дайте ответы на следующие вопросы.

1. В чем проявляется вмешательство человека в круговорот серы?

2. Какие организмы являются главными продуцентами соединений серы?

3. К накоплению каких соединений и где приводит деятельность сульфатредуцирующих бактерий?

3. Главный природный источник соединений серы в атмосферу?

Задача 3.16

На основании анализа круговорота азота объясните:

1. Почему именно круговорот азота подвержен наиболее сильному антропогенному воздействию?

2. К каким последствиям в круговороте азота приводит сведение лесов, если известно, что вырубка леса увеличивает вымываемость азота из почвы ~ в 45 раз?

3. В синтезе каких азотсодержащих соединений участвует азот?

Задача 3.17

Проанализируйте круговорот воды в природе и дайте ответы на следующие вопросы:

1. Чем обусловлен речной сток с поверхности суши в Мировой океан?

2. Каковы важнейшие источники паров воды, поступающих в атмосферу и какова причина выпадения осадков?

3. Где находятся и как распределяются основные фонды воды в различных геосферах?

4. Как влияет антропогенная деятельность на поверхностный сток воды, грунтовые воды и на круговорот воды?

5. На какие процессы затрачивается 1/3 из всей поступающей на Землю солнечной энергии?

6. Что такое процесс транспирации и какова его роль в формировании водного режима материков?

7. Как влияет на процесс транспирации в глобальном масштабе замена естественных экосистем на агроэкосистемы?

Задача 3.18

Общая мощность энергии, перерабатываемая атмосферой и поверхностью Земли, составляет 10¹³ кВт. Существующее тепловое равновесие может быть нарушено при потоке энергии с Земли около 3 ^.10¹² кВт.

1. Оцените мощность общего энергетического воздействия человечества на атмосферу а) в каменном веке; б) в настоящее время; в) в XXI веке, если в соответствии с законом снижения эффективности природопользования расход энергии в сутки на одного человека в каменном веке был 4 тысячи ккал, а настоящее время в передовых развитых странах он составляет 250 тысяч ккал. Численность населения Земли в каменном веке - 10 млн. человек, в настоящее время - 5,6 млрд. человек, а к середине XXI века по прогнозам специалистов - 10 млрд. человек.

2. Далеки ли мы от нарушения теплового равновесия?

3. Перечислите перспективные пути разрешения сложившейся ситуации.

Задача 3.19

Какое количество людей реально могут прокормить:

а) потенциально пригодные под пашню земли (30 млн. км²);

б) современные пашни мира (17% от потенциально пригодных земель)?

По каким причинам нельзя еще больше увеличить площадь пахотных земель?

В оценках принять, что одному человеку в год для удовлетворения его биологических потребностей требуется 1 тонна продовольственно и фуражного зерна. Средняя урожайность зерновых составляет 25 - 30 ц/га и потеря продуктов питания за счет вредителей - 25%.

Задача 3.20

Мировой океан является естественной средой обитания огромного количества различных живых организмов. Общая биомасса этих организмов составляет 36 млрд. тонн. Оцените, превышен ли порог уровня изъятия первичной биологической продукции из вод Мирового океана, если по данным за 1995 год промышленная добыча в России составила:

рыбы - 3500 тыс. тонн;

беспозвоночных - 250 тыс. тонн;

млекопитающих - 150 тыс. тонн.

В расчетах принять, что в среднем на каждого жителя планеты добывается такое же количество морепродуктов, как в России ( численность жителей России - 150 млн. человек).

Задача 3.21

В 1990-е годы в атмосферу ежегодно поступало 2 ^.10⁹ тонн пыли, из которой 200 - 400 млн. тонн приходится на антропогенную. К 2000 году количество антропогенной пыли может возрасти в два раза, тем самым уменьшить прямую солнечную радиацию на 6%, а суммарную солнечную радиацию - на 1%. Это в первую очередь негативно скажется на климате, здоровье человека, вегетации растений и интенсивности фотосинтеза, уменьшив ее на 1%. Спрогнозируйте, как может такая ситуация сказаться на уровне производства и потребления первичной биологической продукции к 2100 году, если по оценкам экспертов проживающим в настоящее время 5,6 млрд. человек для удовлетворения их потребностей необходимо около 10 % годовой продукции биомассы. Мировые ресурсы биомассы в пересчете на сухое вещество - 170 Гт/год, а население Земли к 2100 году будет 12 млрд. человек.

Задача 3.22

Биомасса живых организмов на Земле оценивается примерно в 2 Тт в расчете на сухую массу, причем из этого количества около 90 % приходится на долю фотосинтезирующих организмов, около 8 % - составляют редуценты, преимущественно почвенные микроорганизмы: бактерии, грибы, микроводоросли, и около 0,1 % - животное население планеты. Оцените вклад животных организмов в биотический круговорот веществ.

Какую роль играют все перечисленные виды организмов в круговороте веществ?

Задача 3.23

По некоторым оценкам для обеспечения нормальной жизнедеятельности одному человека требуется:

1. 100 м² жилых и производственных помещений;

2. 100 м² площади, занятой инфраструктурой (дороги, линии электропередач и т.д.);

3. 12 000 м² пастбищ и сенокосов;

4. 4 600 м² сельскохозяйственных полей;

5. 700 м² лесов для поглощения выделяемой СО₂ и получения О₂.

Площадь суши земли составляет 148 млн. км², из них не пригодны для проживания - 49 млн. км² (высокогорья, ледники, пустыни). Оцените максимально возможную численность населения планеты и период времени, когда эта численность будет достигнута при существующих темпах прироста населения (2 % ежегодно).

Выполните аналогичные расчеты для РФ, территория которой составляет около 17 млн. км², а численность населения - примерно 140 млн. человек, и сделайте соответствующие выводы.

Задача 3.24

В настоящее время в атмосфере содержится примерно 1,210¹⁵ т О₂. В результате фотосинтеза ежегодно образуется 2,310¹¹ т сухого органического вещества и 2,510¹¹ т О₂. Оцените долю кислорода, используемую в процессах дыхания и ферментации органического вещества гетеротрофными, нефотосинтезирующими организмами (главным образом бактериями), если скорость накопления органического углерода в осадочных породах, при выведении его из биотического круговорота, составляет (1,4-3,0) 10⁷ т/год.

Рассчитайте промежуток времени, за который содержание кислорода в атмосфере достигло современного уровня (1,210¹⁵ т).

Задача 3.25

Поток солнечной энергии на поверхность планеты составляет 10⁵ ТВт. Оцените климатический и биологический пределы роста энерговооруженности

человечества, если мощность глобального фотосинтеза не превышает 0,02 % от потока солнечной энергии.

Задача 3.26

Содержание кислорода в атмосфере составляет 1,1810¹⁵ т. Зеленые растения выделяют ежегодно 1/2 500 от его содержания в атмосфере. Оцените время круговорота кислорода в атмосфере.

Задача 3.27

Содержание углерода в атмосфере оценивается в 711 Гт. Если принять за 100 % углерод, ассимилированный растительностью биосферы в ходе фотосинтеза, то примерно 30 % его возвращается в фонд атмосферного СО₂, а 70 % обеспечивает продукцию и дыхание животных бактерий и грибов в пастбищных и детритных пищевых цепях. В наземных экосистемах в круговорот вовлекается ежегодно около 12 % содержащегося в атмосфере СО₂. Оцените время оборота СО₂ в атмосфере и вклад наземной биоты и океанической биоты в круговорот СО₂.

Задача 3.28

Содержание водяных паров в атмосфере соответствует в среднем слою толщиной 2,5 см равномерно распределенному по поверхности земли. Среднее ежегодное количество осадков составляет 65 см. Оцените время оборота воды в атмосфере.

Задача 3.29

Искусственное ежегодное внесение фосфора с удобрениями в агроценозы составляет 14 млн. т. Оцените максимальный поток фосфора в гидросферу, если скорость его переноса из гидросферы на сушу птицами и продуктами рыбного промысла составляет около 0,1 млн. т. Перечислите основные эффекты, которые вызывает избыточное поступление фосфора в гидросферу.

Задача 3.30

Резервы, ресурсы и мировое (в тоннах условного топлива) потребление различных энергоносителей даны ниже. Оцените продолжительность использования резервов с использованием двух сценариев потребления:

1. линейный рост потребления пропорциональный росту численности населения (2 % ежегодно);

2. экспоненциальный рост потребления, пропорциональный приросту численности населения (2 % ежегодно).

Приведите критерии рационального использования энергетических ресурсов и перспективы использования возобновляемых энергетических ресурсов с учетом потребностей в будущем и их максимального ресурса.

Энергоноситель	Резервы, млрд. т у.т	Ресурсы, млрд. т у.т	Мировое потребление, млрд. т у.т./год
Уголь	700	10 000	1,5
Нефть	150	1 400	3,7
Природный газ	100	400	1,6
Уран (реакторы на легкой воде)	70	400	0,2

Примеры решения задач

Задача 3.1

По оценкам экспертов, проживающим в настоящее время 5,2 млрд. чело­век для удовлетворения их потребностей необходимо около 10 % годо­вой продукции биомассы. По прогнозам население планеты будет стаби­лизировано к 2100 г. на уровне 12 млрд. человек. Какое количество годовой продукции биомассы будет потреблять человечество к этому времени и каковы возможные последствия?

Решение

Уровень потребления первичной биологической продукции в 2100 г. при сохранении нынешней тенденции составит:

D₂₁₀₀ = D₁₉₉₅(N/n) или;

D₂₁₀₀ = 0,1(12/5,2) = 0,23 или 23 %;

где D₁₉₉₅ - доля потребления первичной биологической продукции в настоящее время;

D₂₁₀₀ - к концу XXI века;

N, n - прогнозируемая численность насе­ления и численность населения сейчас, соответственно.

Основные последствия повышения уровня потребления первичной биологической продукции :

1) нарушение действия принципа Ле Шателье в би­осфере в целом, то есть потеря её устойчивости;

2) необратимый рас­пад, и, как следствие, гибель цивилизации.

Задача 3.2

Достижение нынешнего населения (5,6 млрд. чел) современного "амери­канского стандарта" жизни привело бы к тому, что всего за 50 лет будут использованы все ресурсы планеты: как сырьевые, так и энергетические. К 2100 г. население планеты может составить 12 млрд. человек. Челове­чество к 2100 г. будет использовать по оптимистическим прогнозам до 50 % возобновляемых сырьевых и энергетических ресурсов (в настоящее время около 5 %). Оцените, на сколько хватит ресурсов биосферы для 12 млрд. человек, если все население

планеты к тому времени будет жить на уровне настоящего "американского стандарта" жизни.

Решение

Запасов ресурсов биосферы при линейном законе изменения численности и росте доли возобновляемых сырьевых и энергетических ресурсов (оценка сверху) хватит на

 = tnd/(ND) = 505,60,5/(120,05) = 233,3 года мак­симум.

Здесь t - срок исчерпания ресурсов нынешним населением n;

N - количество населения к 2100 г.;

d, D - доля использования возоб­новляемых ресурсов в будущем и настоящем, соответственно.

Задача 3.3

Анализ современного круговорота углерода показывает следующее:

- Мировой океан поглощает не менее 4 Гт С/год, из них не менее 2 Гт С/год поглощает биота океана;

- ископаемый углерод выделяется в атмосферу в первую очередь при сжигание топлива со скоростью 5 Гт С/год;

- в атмосфере накапливается 5 Гт С/год.

Очевидно, что изменение содержания углерода происходит только в 4-х средах: атмосфере, ископаемом топливе, океане и биоте суши.

Оцените вклад распадающейся биоты суши в эмиссию углерода в атмосферу. По­лученное значение сравните с вкладом человечества в выделение углекислого газа в атмосферу и сделайте соот­ветствующие выводы.

Решение

В общем случае изменение содержания углерода есть:

где Q_пр, Q_расх - приход и расход данного вещества в некоторый резервуар (например, атмосферу).

При стацио­нарных условиях ( ) = 0, то есть Q_пр = Q_расх. Это и есть урав­нение материального баланса. Для рассматриваемой системы уравнение материального баланса в упрощенном виде запишется (стационарных ус­ловий не наблюдается, так как концентрация СО₂ в атмосфере увеличи­вается):

C_атм = Q_т + х - Q_ок - Q_б.с ;

где C_атм - прирост содержания СО₂ а атмосфере (в пересчете на уг­лерод); Q_т,х - выделение углерода от сжигания ископаемого топлива и распадающейся биотой соответственно; Q_ок, Q_б.с - поглощение углеро­да океаном и биотой суши соответственно. В задаче указано, что био­та океана поглощает не менее 2 Гт С/год. Поскольку средняя продук­тивность биоты суши не менее чем в 2 раза больше средней продуктив­ности биоты океана, а 90 % биомассы живых организмов сосредоточено на суше, то в первом приближении можно положить,

что биота суши должна поглощать не меньше СО₂, чем биота океана, то есть Q_б.с = 2 Гт С/год. Окончательно получим, что

х = 5 + 4 + 2 - 5 = 6 Гт С/год.

Вклад разрушающейся биоты в выбросы СО₂ (сведение лесов и окисление углерода биомассы древесины, окисление гумуса почв и т.д.) соизме­рим с прямым вкладом человечества (сжигание ископаемого топлива).

Вывод: принцип Ле Шателье в континентальной биоте не выполняется (прирост содержания СО₂ не компенсируется соответствующим приростом биомассы и, как следствие, уменьшением содержания СО₂ в атмосфере), что грозит распадом биоты и биосферы в целом.

Задача 3.4

Оцените уровень изъятия первичной биологической продукции с Ива­новской области и сделайте соответствующие выводы, если численность населения области составляет 1,297 млн. человек (N), а земельный фонд области (S) - 2,3425 млн. га, включая (млн. га):

-сельскохозяйственные угодья (S_c/х) 1,163 (из них пашня S_п= 0,6149);

-под населенными пунктами (S_нп) 0,1083;

-земли промышленности, транспорта (S_тр) и т.д. 0,1779;

-земли лесного фонда 0,8816 (S_лф).

В оценках принять, что мощность синтеза биоты на Европейской части РФ (М) составляет около 25 т/(гагод).

Решение

Используя указанные в задаче обозначения, найдем максимально воз­можное количество первичной биологической продукции, которое должно было бы производиться на 1 жителя области в невозмущенной среде:

q_н = МS/N = 252,342510⁶/(1,29710⁶) = 45,2 т/(годчел).

В настоящее время частично или полностью исключено производство первичной биологической продукции в области на площади (S_v) равной:

S_v = S_п + S_нп + S_тр = 0,6149 + 0,1083 + 0.1779 = 0,9011 млн. га.

Окончательно найдем, что изъятие первичной биологической продукции в Ивановской области равно:

q_и = МS_v/N = 250, 901110⁶/(1,29710⁶) = 17,4 т/(годчел)

или доля изымаемой продукции равна:

D = q_и100/q_н = 17,4100/45,2 = 38,5 %,

что близко к средней для центральной зоны РФ величине (40 %). Данное значение намно­го превышает допустимый порог (1 %) изъятия первичной биологической продукции, что делает невозможным действие принципа Ле Шателье-Бра­уна на континентальной части планеты.

Задача 3.5

Оцените, превышен ли порог потребления первичной биологической продукции (обоснуйте его величину) на территории РФ, если на каждого жителя в среднем приходится 11,5 га территории со сред­ней величиной первичной биологической продуктивности 20 т/(гагод). Каждый житель РФ полностью потребляет первичную биологи­ческую продукцию с территории 1,89 га.

Решение

Аналогично предыдущей задаче, доля изъятия первичной биологической продукции составляет:

D = МS_v100/(QS) = 1,89100/11,5 = 16,4 %,

что больше допустимого уровня возмущения биосферы (1 %) по степени изъятия первичной биологической продукции в 16 раз.

Задача 3.6

В настоящее время в атмосфере содержится М_кис = 1,210¹⁵ т кислорода. Биологические потребности населения планеты в кислороде (дыхание) (V_b) оцениваются 2 млрд.м³/сутки, а техносфера, созданная челове­ком, поглощает кислорода около V_t = 60 млрд.м³/сутки (без учета сжигания ископаемого топлива). Ежегодно за счет сжигания ископаемо­го топлива в атмосфере накапливается М = 5 Гт углерода за счет сжигания ископаемого топлива. Оцените промежуток времени, через ко­торый содержание кислорода в атмосфере уменьшится на 1 % при сохра­нении нынешней тенденции развития человечества. Какие факторы (с точки зрения устойчивости биосферы в целом) за оцененный промежуток времени будут играть более важную роль по сравнению с возможным уменьшением содержания кислорода в атмосфере?

Решение

Биологическое и надбиологическое потребление О₂ населением планеты за год без учета сжигания ископаемого топлива равно:

М_p = (V_b + V_t)_кис365 = (2+60)10⁹1,42365 = 32134,610⁹ кг О₂/год или

М_p = 32,110⁹ т/год или 32,1 Гт О₂/год.

Объем потребления О₂ на окисление ископаемого топлива найдем по уравнению реакции (V_n):

С + О₂  CO₂,

Атомарная масса углерода м_с=12, а молекулярная масса О₂: м = 32.

Следовательно, на окисление 12 Гт С/год требуется 32 Гт О₂/год, а на окисление 5 Гт С/год потребуется (М_п ) 13,3 Гт О₂/год.

Суммарное потребление кислорода за счет биологических потребностей и деятельности человека составит:

М_s = М_n + М_p = 13,3 + 32,1 = 45,4 Гт О₂/год.

Таким образом, время понижения содержания О₂ в атмосфере на 1 % равно:

t = 0,01М_кис/М_s = 0,011,210¹⁵/45,410⁹ = 264,3 (года).

В течение этого промежутка времени наиболее важны, с точки зрения устойчивости биосферы, изменение видового разнообразия (генофонда планеты) и скорость изъятия первичной биологической продукции. То есть человечеству и всему живому грозит гибель в ближайшее столетие не от недостатка кислорода, а от отсутствия живых организмов и выс­ших растений, регулирующих условия окружающей среды.

Задача 3.7

В настоящее время в интегральных показателях потребление на каждого человека выражается следующими цифрами: ежегодно добывается и выращи­вается примерно М_сыр = 20 т сырья, которое с помощью W=2,5 кВт энергии и М_вод=800 т воды (из данного количества воды около 90 % возвращается в водотоки, то есть 10 % остается в продукции) перерабатывается в ко­нечные продукты массой М_прод = 2 т, идущие на прямое потребление (из 2 т конечного продукта в течение того же года выбрасывается не менее 1 т, а оставшаяся 1 т - это "отложенные" отходы). Оцените, какую долю составляет техногенный поток вещества от годовой продукции экосферы Р = 1,610¹¹ т/год. Объясните основные отличия техногенного круговорота веществ от биотического.

Решение

Суммарное вовлечение сырья в техногенный круговорот равно:

G = (М_сыр + М _водd)N,

где N - численность населения планеты (5,510⁹ человек).

G =(20 + 8000,1)5,510⁹ = 5,510¹¹ т/год.

Доля техногенного потока вещества составляет:

D = G100/P = 1005,510¹¹/1,610¹¹ = 343 %.

Основные отличия круговоротов.

1. По источнику энергии:

биотический круговорот осуществляется посредством возобновляемого источника энергии Солнца, а техногенный - главным образом за счет исчерпаемых источников (ископаемое топливо).

2. По эффективности и замкнутости:

биотический круговорот практически полностью замкнут, а техногенный, напротив, значительно разомкнут (особенно по составу); в биотичес­ком круговороте нет отходов (высокая эффективность использования вещества), а техногенный наоборот в основном производит отходы (98 %), то есть малоэффективен и сильно разомкнут.

Задача 3.8

В естественных лесах до 90 % (d _тран) солнечной радиации поглощается лист­вой и затрачивается на транспирацию, а в преобразованных человеком агроэкосистемах на траспирацию затрачивается только d₁= 40 % сол­нечной

энергии. За последние 10 000 лет, то есть время существова­ния человечества, площадь лесов Мира уменьшилась в 2 раза и сейчас леса занимают около 25 % территории суши. Оцените, во сколько раз уменьшилась транспирация влаги зелеными растениями к настоящему времени, как это влияет на "малый" круговорот воды и к каким пос­ледствиям это приводит.

Решение

Уменьшение составит:

n = d _транS/(0,5Sd _тран + 0,5Sd₁),

где S - площадь лесов Мира до вмешательства человека (10000 лет тому назад). При этом предполагается, что на месте сведенных лесов чело­век ввел агроэкосистемы (опустынивание не учитывается), то есть это оценка снизу.

n = 0,9/(0,50,9 + 0,50,90,4) = 1,4 раза.

Поскольку большая часть водного режима материков формируется биотой и регулируется биотически (мощность транспирации оценивается 3000 ТВт и превосходит ветровую мощность на земле, оцениваемую в 2000 ТВт, а ведь именно ветровая мощность отражает движение циклонов и антициклонов, которым чаще всего и приписывается формирование водного ре­жима суши). Сокращение влагооборота на суше из-за уменьшения мощ­ности транспирации, вследствие замены естественных лесных экосистем агроценозами, должно приводить к опустыниванию. Действительно, оцен­ки показывают, что пустыни расширяются со средней скоростью 20 га/мин, и примерно с такой же скоростью сокращаются залесенные тер­ритории.

Задача 3.9

Население развитых стран оценивается примерно в N₁=23 % от общего населения планеты, доля потребления ими энергоресурсов достигает D₁=80 % (например доля населения США около 5 %, а потребление энер­горесурсов - 25 % от мирового). Энергопотребление человечества сос­тавляет W_ч=10 ТВт, мощность развиваемая биотой (продуктивность биоты) W_б=100 ТВт, а поток солнечного излучения, поступающего на поверхность земли имеет порядок W_с=105 ТВт. Оцените энергопотребление чело­вечества при достижении "современного американского стандарта жиз­ни" и сравните найденную величину с мощностью биоты планеты. Обос­нуйте экологический предел потребления роста численности населения и его энергопотребления.

Решение

Уровень потребления энергии в развитых странах равен:

W₂ = W_ч D₁ = 100,8 = 8 ТВт.

При достижении "современного стандарта жизни США" нынешним населе­ние энергопотребление составит:

W = W₂100/N₁ = 8100/23 = 34,8 ТВт,

что составляет примерно 35 % от уровня мощности, развиваемой биотой. Биологический предел потребления энергии может быть найден из закона её

сохранения в рамках стабильного климата. Согласно этого закона в антропогенный канал может быть переведено не более полной мощности глобальной би­оты, то есть 100 ТВт. Это соответствует антропогенной доли потреб­ления, то есть пищи людей, скота и потребления древесины примерно на порядок по сравнению с существующей величиной. Это и есть биоло­гический предел. Однако предел роста человечества не биологический, а экологический. Он связан с поддержанием устойчивости ОС и дейс­твием принципа Ле Шателье в биосфере уровень изъятия первичной био­логической продукции не должен превышать 1 %, то есть уровень мощ­ности человечества не должен быть больше 1 % от мощности биоты, то есть экологический предел энергопотребления уже превышен примерно в 10 раз). В настоящее время из-за парникового эффекта поток теплово­го излучения на земную поверхность возрос на 2 Вт/м² или в глобаль­ном масштабе на 1000 ТВт, что в 100 раз больше мощности сжигания ископаемого топлива.