4.2. Экологические функции литосферы: ресурсная, геодинамическая, геофизическая, геохимическая

Литосфера, как часть поверхности Земли, на которой существует человек, подвергается его наибольшему воздействию. К сожалению, чаще всего человек разрушает сложившееся равновесное состояние геобиоценозов. Экологические функции литосферы прежде всего связаны с ресурсной деятельностью человека, с динамикой континентов, с физическими и химическими процессами, происходящими в ней.

Для человечества недра Земли являются кладовой полезных ископаемых. Их добыча из года в год растет, и в настоящее время человечество ежегодно извлекает из недр Земли более 1 млрд. т железной руды, более 3 млрд. т нефти, более 2,5 млрд. т угля, миллиарды тонн строительных и других материалов. Комплекс отраслей производства по разведке месторождений полезных ископаемых, их добыче из недр Земли и первичной обработке — обогащению — относится к горнодобывающей промышленности. В зависимости от вида ископаемого она делится на топливодобывающую (нефтяная, добыча природного газа, угольная, сланцевая, торфяная), рудодобывающую (железорудная, марганцево-рудная, добыча руд цветных, благородных и редких металлов, радиоактивных элементов), промышленность неметаллических ископаемых и местных стройматериалов (добыча мрамора, гранита, асбеста, мела, доломита, кварцита, каолина, глины, гипса, мергеля, полевого шпата, известняка), горно-химическую (добыча апатита, калийных солей, нефелина, селитры, серного колчедана, борных руд, фосфатного сырья), гидроминеральную (минеральные подземные воды, водоснабжение), алмазодобывающую.

В качестве примера остановимся на топливодобывающей промышленности. Ежедневно человечество расходует на 0,02 % больше энергии, чем накануне. Каждые 13 лет потребность в ней удваивается. Развитие энергетики в значительной степени стимулирует промышленную мощь любой страны, уровень благосостояния ее жителей. Каждый новый процент увеличения электроэнергии дает, например, один процент прироста производительности труда. В большинстве стран мира жизненный уровень людей прямо пропорционален их энергопотреблению.

Это во многом предопределяет нынешнее интенсивное развитие мировой топливно-энергетической индустрии, при которой «львиная доля» отводится нефти, газу и каменному углю. Так, в середине 1980-х годов мировой энергобаланс складывался на 46 % из нефти, на 19 % из газа, на 26 % из угля (всего 91 %), остальные 9 % занимали гидроэнергетика (6 %), ядерная (2 %) и другие виды энергии (1 %). За последнее пятилетие появилась тенденция к некоторому снижению доли нефти, но к увеличению роли каменного угля, гидро- и ядерной энергетики.

Если представить годовую добычу нефти в России в виде непрерывного потока, то этот поток следует разделить на четыре рукава. Один из них- экспортный ручей, утекающий за рубеж и возвращающийся в виде конвертируемой валюты. Второй — ручей, также, к сожалению, утекающий за рубеж и представляющий собой нефтепродукты, которые мы отдаем кредиторам или дружеским странам в счет долгосрочных обязательств. Третий ручей — это потери, происходящие при транспортировке, хранении нефти и нефтепродуктов. Считается нормой, если от годовой добычи теряется два процента.

Что же остается от нефтяной реки, нам, для внутренних нужд страны? В лучшем случае, это 65 % от общегодового объема добычи, то есть примерно 400 млн. т нефти. Для сравнения, США потребляют в год порядка 750 млн. т нефти, из которых 455 млн. т добывают ( у себя (в 1987 году) и около 300 млн. т импортируют. Для прогрессивного развития экономики и повышения производительности труда России необходимо иметь для своих нужд не менее 500 млн. т нефти в год. И это, при соблюдении строжайшей экономии, в использовании нефтепродуктов, чего, к сожалению, пока мы не научились делать. С внедрением нефти и газа роль каменного угля как энергоносителя заметно поблекла. Однако в последнее время о каменном угле снова заговорили как об альтернативе истощающимся углеводородам. Главный козырь в том, что запасы угля огромны — 10¹² т. На его долю приходится свыше 80 % ресурсов биологического ископаемого топлива, тогда как на нефть и газ — всего 17 %. Но тепловая станция (в пересчете на 1 ГВт электрической мощности) потребляет в год 8 млн. т угля, при этом выбрасывая в атмосферу около 10 млн. т углекислого газа (СО,) и несколько сот тысяч тонн золы. На наших отечественных теплоэлектростанциях выбросы твердых частиц в 10 раз, а оксидов серы и азота — в 2 – 3 раза больше, чем в развитых странах мира.

Сторонники использования угля в тепловых станциях предлагают его двухстадийное сжигание: первая стадия — получение из угля топливного газа (в основном метана), вторая — утилизация его в топках котлов или камер сгорания газовых турбин. На каждой из этих стадий необходимо обеспечить улавливание оксидов серы и азота. Это связано с созданием новой технологии экологически чистого сжигания каменного угля.

Надо также учитывать последствия интенсивной угледобычи, необходимость рекультивации земель, транспортировку угля и даже возможность радиоактивного загрязнения местности при сжигании угля. Последнее связано с тем, что каменный уголь в ряде примесей содержит такие радиоактивные элементы, как уран, торий, радий, калий. Вместе с дымом они попадают в атмосферу, а потом оседают на Земле. По данным ООН, годовая коллективная доза радиоактивного облучения людей от выбросов всех теплоэлектроцентралей в два раза превышает излучение от всех атомных электростанций. Причем эти оценки сделаны при условии, что степень очистки выбросов от летучей золы составляет не менее 90 %.

Природный газ занимает пока сравнительно скромное место в энергетическом балансе мира — в среднем около 19 %. Мировые запасы его (по данным на 1987 год) — 107 трлн. М³, а годовая добыча составляет примерно 1,8 трлн. М³. Это означает, что если газ извлекать из недр такими же темпами, как сейчас, то его хватит лет на 60. Это без учета возможного прироста запасов.

В развитых капиталистических странах использование газа в последние годы получило тенденцию к возрастанию. В Японии, например, потребление газа увеличивается ежегодно на 5 %, в Западной Европе — на 6,5 %. Эта тенденция характерна и для нашей страны: в 1988 году у нас было добыто его 770 млрд. м³, а в 1989 году — почти 800 млрд. м³. Доля газа в энергетическом балансе нашей страны достигла 38 %. Так как в наших недрах находится более 43 % мировых запасов голубого топлива, то в условиях возможного нефтяного кризиса активное использование газа, по всей видимости, вполне разумно. Так как теплота сгорания газа в 1,5 раза выше, чем угля, то широкое использование его в электро- и тепловых станциях сулит большие выгоды. И в США, и в ряде стран Европы, взят курс на замену бензиновых автодвигателей на газовые, переход значительной части электростанций на природный газ.

Очевидно, именно газ должен стать в нашей стране в обозримой перспективе альтернативой нефти и каменному углю. Чтобы покрыть топливный дефицит, который неизбежно разовьется при падении нефтедобычи, чтобы обеспечить необходимое ежегодное увеличение в потреблении энергии, придется в разумных пределах наращивать газодобычу. Ее доля, вероятно, дойдет до 50 %. Ресурсная база страны позволяет к 2005 году довести добычу газа до 1 трлн. М³ в год и удерживать этот уровень до 2030 — 2040 годов.

Но не обойтись нам и без нефти. Как ни жалко, но в ближайшие 15— 20 лет вряд ли удастся полностью изъять ее из топок тепло- и электростанций. По всей вероятности, энергобаланс нашей страны будет удовлетворяться за счет черного золота на четверть. Остальное место займут другие источники энергии. Сейчас во многих странах мира существенно пересматриваются стратегия и тактика использования энергии. Экономное, эффективное потребление энергии позволило там за последние 10 – 15 лет при росте валовой продукции более чем на 30 % увеличить расход энергии лишь на 5 %. Это означает огромную экономию всех видов топлива.

Положение человека в биосфере двоякое: с одной стороны, человек как биологический вид является составной частью биосферы и, как все организмы включен в трофические цепи; с другой стороны, человек, в отличие от других живых существ, имеет не только биологические, но и небиологические потребности (он создает и использует технику, строит здания, прокладывает дороги, печатает книги и т. П.). С точки зрения взаимодействия с биосферой в качестве одного из биологических видов человек является гетеротрофом. Это означает, что он в своем организме не может создавать органические вещества, а должен получать их извне. Кроме того, человек дышит кислородом, пьет воду и, следовательно связан с природой по всем своим биологическим каналам. Однако, он вносит в природу огромные слабоутилизируемые загрязнения, использует все большее пространство.

Существенные негативные последствия получаются благодаря биологической деятельности человека. В настоящее время быстро сокращается площадь популяций диких животных, которые являются резервом потенциально полезных для человека. Стремительно уменьшается разнообразие видов культурных растений и домашних животных. 90% продовольствия растительного происхождения получают из 12 видов растений (в Канаде и США более 70% картофеля и ржи производится на основе 4 сортов, а горох – 2). Аналогично обстоят дела и в области животноводства. При этом следует учитывать, что запаса по болезням и вредителям для зерновых, например, хватает на 5-10 лет. Естественно, что в последнее время остро стала проблема генетического обновления, так как суммарная биомасса человечества и домашних животных возросла до 40% от всех земных животных (1860 г.– 5%, 1940 г. –10%, 1980 г.– 20%, 2000 г. – 40%).

Главной причиной гибели живых организмов является разрушение их среды обитания. При развитии человечества проявляется такое важное противоречие как построение промышленности в виде открытых систем, где природа и источник необходимого, и место размещения вредного. А органические системы являются в значительной степени закрытыми. Поэтому, поддержание экологических функций литосферы требует разумного сочетания двух означенных подходов со смягчением и снятием противоречия между ними. Именно этот факт и вызвал разработку методов замкнутого природопользования (с очищением воды, воздуха, рекультивацией земель и проч.). Однако, на эти мероприятия следует отдавать не менее 2-3% валового национального продукта (ВНП) (Япония тратит до 15% ВНП), так как ущерб ежегодно составляет 3-5%.

Пример значительных экологических проблем, возникших в нашей стране при неправильном использовании гидроресурсов, это заиливание Кубани (слои от 2 до 10 м), пересыхание малых рек, большое количество искусственных водохранилищ, сокращение площади Аральского моря (см. рис.1). Из-за повышенного забора воды на орошение тяжелое положение складывается в Каспийском бассейне. Резко ухудшилось состояние Ладожского озера, Байкала.

Стратегия экстенсивного водопотребления — вовлечение в народное хозяйство все новых и новых водных источников — исчерпала себя. Необходим переход к принципиально новой стратегии использования водных ресурсов, исключающей их дополнительное привлечение. Ученые предлагают строить новую стратегию на основе решения следующих проблем:

• сокращение водопотребления в производстве, переход от технологии очищения и разбавления отходов к малоотходной технологии и технологии оборотного использования воды;

• перестройка ирригационных систем, создание закрытых распределительных каналов, применение принципа капельного орошения;

• перераспределение между регионами промышленного и сельскохозяйственного производства с учетом имеющихся водных ресурсов.

В некоторых странах в настоящее время ставится и решается задача снижения расхода водных ресурсов на единицу конечного продукта.

Необходимо уменьшать и уж во всяком случае контролировать масштабы выброса веществ, загрязняющих воздушную среду. Современные промышленные предприятия, в частности тепловые электростанции и металлургические заводы, выбрасывают в воздух миллионы тонн сернистого ангидрида (двуокиси серы) и окислов азота. В воздухе они легко соединяются с парами воды и вместе с дождями выпадают на землю в виде разбавленной серной и азотной кислоты. При этом с высотой труб увеличивается как число окислов, превращающихся в кислоты, так и то расстояние, на которое эти окислы переносятся.

Кислотные дожди являются в настоящее время одним из наиболее опасных явлений в биосфере. Они уничтожают в озерах, реках, прудах практически все живое — рыб, микроорганизмы, растительность — и превращают их в «мертвые». Особенно высокий уровень кислотности наблюдается в туманах. Иногда она превышает кислотность дождя в 100 и более раз. Так как туманы держатся иногда по несколько часов, то они оказывают крайне вредное воздействие и на людей, и на растительность.

По оценкам экспертов, выбросы сернистого ангидрида в мире составляли в 1950 году 12 млн. т, а в начале 1980-х годов — уже 150 млн. т. В странах Западной Европы приходится на человека около 50 кг выбросов серы в год, а экономический ущерб от кислотных осадков составляет около 4 % валового национального продукта.

Решение этой проблемы связано с отказом от рассеивания газообразных отходов. Их следует не рассеивать, уповая на масштабы атмосферы, а, наоборот, концентрировать и изолировать. Известны технически реальные методы удаления соединений серы из дымовых газов. Например, в Швеции объем выбросов в атмосферу за последние годы удалось уменьшить более чем на 40 %.

Сгорание органического топлива неизбежно приводит к накоплению в атмосфере углекислого газа и уменьшению кислорода. Подсчитано, что расход кислорода на сжигание всех видов топлива составлял: в 1860 году — 1,3 млрд. т, в 1960 году — 12 млрд. т, а к 2000 году — он может подняться до 57 млрд. т. Уже в настоящее время в воздухе городов отмечается заметное снижение содержания кислорода (ниже 19 %). Снижение содержания кислорода в атмосфере отмечается и в планетарном масштабе: в настоящее время оно составляет в среднем 20,65 %, а в недалеком прошлом составляло 20,946 %.

Одновременно со снижением процентного содержания кислорода в атмосфере наблюдается увеличение содержания в ней углекислого газа. Величина годового выброса в атмосферу чистого углерода возросла с 10 млн. т в 1860 году до 5,3 млрд. т в 1980 году. Концентрация углекислого газа в атмосфере в расчете на 1 млн. частиц воздуха выросла с 315 частиц в 1958 году до 340 частиц в 1982 году и к середине следующего столетия может достигнуть 600 частиц. В результате следует ожидать повышения температуры атмосферы на 3 — 5⁰С. Но тогда могут начаться необратимые процессы: таяние ледников Северного и Южного полюсов, повышение уровня воды в Мировом океане.

Следовательно, в ближайшие десятилетия человечество должно резко ограничить использование органического топлива и предпринять все усилия для перехода к чистым источникам энергии: солнечной энергии, кинетической и тепловой энергии Мирового океана, термальной энергии. Необходимо перейти к контролю за выбросами углекислого газа в атмосферу Земли.

В поддержании равновесия природных систем исключительно велика роль лесов. Они поглощают углекислый газ и восстанавливают кислород, препятствуют нарастанию жесткости климата, оберегают реки и почвы. Считается, что леса в тех регионах, где они могут расти, должны покрывать одну пятую или даже одну четвертую часть территории. Пока же во многих странах, и у нас в том числе, происходит активное уничтожение лесов. Кроме того, леса Европы гибнут от загрязнения воздуха. Заметное угнетение крупных лесных массивов в последние десятилетия отмечается во многих европейских странах. Симптомами этого процесса являются потеря хвои, преждевременный спад листьев, сокращение роста деревьев, загнивание корней и сердцевины стволов.

Не менее остры проблемы сведения лесополос (в том числе и у нас в стране), которые повышают урожайность озимых и яровых культур на 15-20%, а трав – на 45-50%, уничтожения лесов (в Эфиопии за 80 лет с 40% до 3% территории, в Курской, Орловской, Саратовской областях – 5%). Восстановление может занять от 200 до 800 лет.

Существенные трудности вносит химизация, в угоду достижениям которой пренебрегают севооборотом. Например, по данным Мичиганской сельскохозяйственной станции, смыв почв на землях, где практикуется севооборот «кукуруза — клевер — пшеница», составляет лишь 2,7 т с гектара, а с полей монокультурной кукурузы — 19 т с гектара. Отказ от севооборотов в расчете на эффективность химических удобрений наносит почвам наибольший ущерб. Химия действительно позволяет обеспечивать высокие урожаи, причем в течение ряда десятилетий. Но при этом почвы оказываются ослабленными, и со временем результативность использования химических удобрений снижается. Для поддержания достигнутого уровня урожайности требуется все большее и большее количество удобрений и гербицидов.