Конспект лекций Экология

5.5. Осадочные циклы

Для большинства химических элементов и соединений, которые обычно связаны с лито- и гидросферой, а не с атмосферой, характерны осадочные циклы. Циркуляция таких элементов осуществляется путём эрозии, осадкообразования, горообразования, вулканической деятельности и переноса веществ организмами. Твёрдые вещества, переносимые по воздуху как пыль, выпадают на землю в виде сухих осадков или с дождём. Осадочные циклы имеют общую направленность «вниз».

Наибольшее значение имеет в биосфере круговорот фосфора. Круговорот фосфора. Фосфор – один из наиболее важных био-

генных элементов. Он входит в состав нуклеиновых кислот, клеточных мембран, ферментов, костной ткани, дентина. По сравнению с азотом, он встречается в относительно немногих химических формах. В биотический круговорот фосфор поступает в процессе разрушения протоплазмы организмов и постепенно переходит в фосфаты.

Особенность биогеохимического цикла фосфора заключается в том, что, в отличие от азота и углекислого газа, резервным фондом его является не атмосфера, а горные породы и отложения, образовавшиеся в прошлые геологические эпохи.

Поступление фосфора в круговорот происходит в основном: 1) в процессе эрозии фосфатных пород (в том числе гуано) и 2) вследствие минерализации продуктов жизнедеятельности и органических остатков растений и животных.

Образующиеся фосфаты (PO43-) поступают в наземные и водные экосистемы, где вновь могут потребляться растениями.

Потребляется фосфор растениями и животными для построения белков протоплазмы и в промышленном производстве удобрений и моющих средств.

Механизмы возвращения фосфора в круговорот в природе недостаточно эффективны и не возмещают его потерь. Сейчас не происходят сколько-нибудь значительные поднятия отложений на поверхность. Вынос фосфатов на сушу осуществляется в основном с рыбой. Но это не компенсирует их поток с суши в море. Морские птицы также участвуют в возвращении фосфора в круговорот (например, скопления гуано на побережье Перу). Однако перенос фосфора и других веществ из моря на сушу птицами сейчас происходит не столь интенсивно, как в прошлом.

Влияние деятельности человека на циркуляцию фосфора ве-

дёт к потерям фосфора и захоронению его на дне океана, что делает цикл менее замкнутым. Так, по некоторым оценкам, с морской рыбой, вылавливаемой человеком, на сушу возвращается лишь около 60 тыс. т

41

в год элементарного фосфора. Добывается же ежегодно около 2 млн т фосфорсодержащих пород. Большая часть этого фосфора попадает в море с моющими средствами, в производстве которых он используется, и с удобрениями, т.е. выключается из круговорота. Так, например, потери фосфора с ненарушенных облесенных водосборочных бассейнов невелики и компенсируются поступлениями с дождём и продуктами выветривания. Но ниже по течению рек, где деятельность человека активна, – иная картина. С увеличением степени освоения, т.е.

сувеличением площадей, занятых сельскохозяйственными полями и городами, в водах рек резко возрастает содержание фосфора. В воде, стекающей с городских территорий, в 7 раз больше этого элемента, чем в воде реки, протекающей по местности, занятой лесом.

Кроме того, в стоке с освоенных территорий до 80 % фосфора содержится в минеральной форме, т.е. в виде фосфатов, а в стоке с территорий, занятых естественной растительностью, преобладают органические соединения фосфора. Однако смыв фосфорных удобрений

сполей не столько велик, как азотных, так как в воде фосфаты малорастворимы, а в щелочной среде – практически нерастворимы, и поэтому задерживаются почвенными частичками. А усвоение их растениями сильно зависит от кислотности почвенного раствора и растворимости образующихся соединений.

Исследования показали, что в наземных экосистемах большая часть фосфора находится в связанной форме и недоступна для растений. Отсюда можно сделать очень важный для практики вывод: избыток удобрений может оказаться столь же невыгодным, как и их недостаток. Если в почву вносится больше вещества, чем могут использовать в данный момент организмы, избыток его быстро связывается почвой и отложениями, становясь недоступным именно в тот период, когда он наиболее необходим организмам. Многие полагают, что если на площадь их сада следует внести 1 кг удобрений, то 2 кг принесут в два раза больше пользы. Но субсидии превращаются в источник стресса, если применять их в избытке.

Основные потери фосфора из круговорота происходят при сбросе промышленных, городских и сельскохозяйственных сточных вод в водоёмы; при применении избыточных количеств фосфорных удобрений и фосфорсодержащих моющих средств.

Правда, производство последних в некоторых странах уже запрещено. При этом серьёзные опасения вызывает также «цветение» воды вследствие «удобрения» её избыточным количеством фосфатов. Следствием этих процессов из-за массового развития и отмирания водорослей является вторичное загрязнение воды и захоронение фосфора с остатками водорослей.

42

В конечном счёте, если мы хотим предотвратить угрозу голода, придётся серьёзно заниматься возвращением фосфора в круговорот. Уповать на геологические подъёмы отложений в некоторых районах Земли, которые вернут на сушу «потерянные фосфаты», вряд ли возможно. Разумнее искать другие пути предотвращения потерь фосфора и прежде всего сократить его сброс в водные объекты. Следует активнее использовать сточные воды для орошения наземной растительности, которая аккумулируется в водно-болотистые угодья, вместо того чтобы сбрасывать в реки.

Сохранение цикличности круговорота фосфора очень важно, потому что из всех биогенных веществ, необходимых организмам в больших количествах, фосфор – один из наименее доступных элементов на поверхности Земли. Фосфор и теперь часто лимитирует первичную продукцию экосистем, а в будущем его лимитирующее значение может резко возрасти, что грозит снижением пищевых ресурсов планеты.

Вопросы и задания

1.Чем различаются большой и малый круговорот веществ?

2.Какой процесс лежит в основе большого круговорота веществ?

3.Какова основная особенность круговорота воды?

4.Какие процессы лежат в основе малого круговорота веществ?

5.В чём различия газообразных и осадочных биогеохимических циклов?

6.Как влияет человек на содержание СО2 в атмосфере?

7.В чём особенности круговорота фосфора?

8.Какие процессы лежат в основе круговорота азота?

Лекция 6 ГЛОБАЛЬНЫЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ

6.1. Современный экологический кризис и его последствия

Возникновению экологического кризиса, по мнению учёныхэкологов, способствовали следующие факторы:

- хищническое отношение к природе, получение прибыли любой ценой, хотя природные ресурсы не безграничны. Именно это привело к тому, что в настоящее время мы считаем кислород в атмосфере, потеря которого в год составляет 10–12 млрд т. В России объём добычи и переработки полезных ископаемых удваивается каждые 8 лет, в остальном мире – каждые 15 лет;

43

-многофункциональность использования природных ресурсов (в экономическом, биологическом и социальном плане);

-несовершенство технологических процессов, когда из добываемого природного вещества 10 % используется человеком с пользой, а остальное в непотребном виде возвращается природе, загрязняет воду, воздух и почву;

-экологическая безграмотность общества, незнание законов экологии;

-нравственное оскудение общества, потеря гражданской ответственности за последствия его деятельности по отношению к своей среде обитания;

-ведомственная собственность на природные ресурсы;

-недостаточность государственных средств на природоохранные мероприятия.

Врезультате нарушены все принципы биосферной этики, т.е. принципы нравственного поведения человека по отношению к биосфере, запрещающие:

-выбрасывать в биосферу отравляющие вещества (ядохимикаты, полихлорбифенилы, весь арсенал искусственного химического мира), так как они, выброшенные в одном месте, постепенно распространяются во все части биосферы, приобретая региональный и глобальный характер;

-повышать радиоактивный фон биосферы, выбрасывая радиоактивные изотопы, используемые в атомной энергетике и промышленности;

-добавлять в естественную среду новые электромагнитные и сродные им поля и т.д.

Незнание основ экологии, нарушение биосферной этики привели к возникновению экологических проблем. Систематизируя их, Н.Ф. Реймерс выделил основные:

-Изменение климата Земли на основе усиленного тепличного эффекта, выбросов метана и других низкоконцентрированных газов, нарушения концентрации озона в тропосфере и стратосфере.

-Замусоривание и иное загрязнение ближайшего космического пространства.

-Общее ослабление озонового экрана Земли, образование большой «озоновой дыры» над Антарктидой, малых «дыр» над другими регионами планеты.

44

-Загрязнение атмосферы с образованием кислотных осадков, сильно ядовитых и пагубно действующих веществ в результате вторичных химических реакций, в том числе фотохимических (в этом одна из основных причин разрушения озонового слоя, на который

воздействуют фреоны, ядовитые пары, вещества типа NOx, малые газовые примеси).

-Загрязнение океана, захоронение в нём ядовитых радиоактивных веществ, насыщение его вод углекислым газом из атмосферы, поступление в него антропогенных нефтепродуктов, тяжёлых металлов и сложноорганических соединений, что способствует разрыву нормальных экологических связей между океаном и водами суши.

-Истощение и загрязнение поверхностных вод суши, континентальных водоёмов и водостоков, подземных вод.

-Радиоактивное загрязнение локальных участков и некоторых регионов Земли (текущая эксплуатация атомных устройств, чернобыльская авария, испытания атомного оружия).

-Возникновение вторичных химических реакций во всех средах биосферы с образованием токсических веществ.

-Нарушение глобального и регионального экологического равновесия, соотношения экологических компонентов, в том числе сдвиг экологического баланса между океаном, его прибрежными водами и впадающими в него водопадами.

-Опустынивание планеты в новых регионах, расширение существующих пустынь.

-Сокращение площади лесов, «лёгких» планеты, что ведёт к

дисбалансу кислорода и усилению процесса исчезновения видов (в настоящее время на грани исчезновения находятся около 10000 видов, в основном позвоночных животных и растений).

-Освобождение и образование экологических ниш и заполнение их нежелательными организмами (вредителями, паразитами, возбудителями новых заболеваний растений и животных, в том числе и человека).

-Абсолютное перенаселение Земли и относительное демографическое переуплотнение в отдельных её регионах.

-Ухудшение среды жизни в городах и сельской местности, увеличение шумового воздействия, загрязнение воздуха, потери социальных связей между людьми и т.д.

Всё перечисленное выше создаёт глобальную экологическую проблему для человечества, поскольку состояние окружающей среды является одним из наиболее существенных факторов, формирующих здоровье.

45

6.2. Парниковый эффект и глобальное потепление

6.2.1. Причины возникновения

Идея о механизме парникового эффекта была впервые изложена в 1827 г. Жозефом Фурье в статье «Записка о температурах земного шара и других планет», в которой он рассматривал различные механизмы формирования климата Земли, при этом он рассматривал как факторы, влияющие на общий тепловой баланс Земли (нагрев солнечным излучением, охлаждение за счёт лучеиспускания, внутреннее тепло Земли), так и факторы, влияющие на теплоперенос и температуры климатических поясов (теплопроводность, атмосферная и океаническая циркуляция).

Жозеф Фурье предположил, что атмосфера земли выполняет функцию своего рода стекла в теплице: воздух пропускает солнечное тепло, не давая ему при этом испариться обратно в космос. И он был прав. Этот эффект достигается благодаря некоторым атмосферным газам второстепенного значения, каковыми являются, например, водяные испарения и углекислый газ. Они пропускают видимый и «ближний» инфракрасный свет, излучаемый солнцем, но поглощают «далёкое» инфракрасное излучение, имеющее более низкую частоту и образующееся при нагревании земной поверхности солнечными лучами. Если бы этого не происходило, Земля была бы примерно на 30º холоднее, чем сейчас, и жизнь бы на ней практически замерла.

Исходя из того, что «естественный» парниковый эффект – это устоявшийся, сбалансированный процесс, вполне логично предположить, что увеличение концентрации «парниковых» газов в атмосфере должно привести к усилению парникового эффекта, который в свою очередь приведёт к глобальному потеплению климата. Количество СО2 (углекислоты) в атмосфере неуклонно растёт вот уже более века из-за того, что в качестве источника энергии стали широко применяться различные виды ископаемого топлива (уголь и нефть). Газы, вызывающие парниковый эффект, – это не только диоксид углерода (CO2). К ним также относятся метан (CH4), закись азота (N2O), гидрофторуглероды (ГФУ), перфторуглероды (ПФУ), гексафторид серы (SF6). Однако именно сжигание углеводородного топлива, сопровождающееся выделением CO2, считается основной причиной загрязнения.

Глобальное потепление – процесс постепенного роста средней годовой температуры поверхностного слоя атмосферы Земли и Мирового океана вследствие всевозможных причин (увеличение концентрации парниковых газов в атмосфере Земли, изменение солнечной или вулканической активности и т.д.).

46

Впервые о глобальном потеплении и парниковом эффекте заговорили в 60-х гг. XX в., а на уровне ООН проблему глобального изменения климата впервые озвучили в 1980 г. С тех пор над этой проблемой ломают головы многие учёные, зачастую взаимно опровергая теории и предположения друг друга.

Сегодня уже мало кто из учёных, занимающихся этой проблемой, оспаривает тот факт, что деятельность человека приводит к повышению концентрации парниковых газов в атмосфере.

Тем не менее, ведутся ожесточённые споры вокруг того, какое конкретно количество этих газов вызовет потепление климата и в какой степени, а также как скоро это произойдёт.

В конце 80 – начале 90-х гг. несколько лет подряд среднегодовая глобальная температура была выше обычной. Это вызвало опасения в том, что вызванное человеческой деятельностью глобальное потепление уже началось. Среди учёных существует консенсус, что за последние сто лет среднегодовая глобальная температура поднялась на 0,3–0,6 ºС. Однако среди них нет согласия в том, что именно вызвало это явление.

Неопределённость в вопросе глобального потепления порождает скепсис по поводу грозящей опасности. Проблема заключается в том, что когда гипотеза об антропогенных факторах глобального потепления подтвердится, уже поздно будет что-либо предпринимать.

Согласно прогнозам исследователей, если ничего не предпринимать, мировые выбросы CO2 в течение ближайших 125 лет вырастут вчетверо. Но нельзя забывать и о том, что значительная часть будущих источников загрязнения ещё не построена. За последние сто лет температура в северном полушарии увеличилась на 0,6 ºС. Прогнозируемый рост температуры в следующем столетии составит от 1,5 до 5,8 ºС. Наиболее вероятный вариант – 2,5–3,5 ºС.

До сих пор учёные со 100%-й уверенностью не могут сказать, что вызывает климатические изменения. В качестве причин глобального потепления выдвигается множество теорий и предположений. Перечислим основные, заслуживающие внимания гипотезы.

Гипотеза 1. Причиной глобального потепления является изменение солнечной активности. Все происходящие климатические процессы на планете зависят от активности нашего светила – Солнца. Поэтому даже самые малые изменения активности Солнца непременно сказываются на погоде и климате Земли. Выделяют 11-летние, 22-летние, а также 80–90-летние (Глайсберга) циклы солнечной активности. Вполне вероятно, что наблюдаемое глобальное потепление связано с очередным ростом солнечной активности, которая в будущем может снова пойти на убыль.

47

Гипотеза 2. Причина глобального потепления – изменение угла оси вращения Земли и её орбиты. Югославский астроном Миланкович предположил, что циклические изменения климата во многом связаны с изменением орбиты вращения Земли вокруг Солнца, а также изменением угла наклона оси вращения Земли по отношению к Солнцу. Подобные орбитальные изменения положения и движения планеты вызывают изменение радиационного баланса Земли, а значит, и её климата. Миланкович, руководствуясь своей теорией, вполне точно рассчитал времена и протяжённость ледниковых периодов в прошлом нашей планеты. Климатические изменения, вызванные изменением орбиты Земли, происходят обычно в течение десятков, а то и сотен тысяч лет. Наблюдаемое же в настоящий момент времени относительно быстрое изменение климата, по-видимому, происходит в результате действия ещё каких-то факторов.

Гипотеза 3. Виновник глобальных климатических изменений – Мировой океан – огромный инерционный аккумулятор солнечной энергии. Он во многом определяет направление и скорость движения тёплых океанических, а также воздушных масс на Земле, которые в сильной степени влияют на климат планеты. В настоящий момент времени мало изучена природа циркуляции тепла в водной толще океана. Так, известно, что средняя температура вод океана составляет 3,5 °С, а поверхности суши – 15 °С, поэтому интенсивность теплообмена между толщей океана и приземным слоем атмосферы может приводить к значительным климатическим изменениям. Кроме того, в водах океана растворено большое количество СО2 (около 140 трлн т, что в 60 раз больше, чем в атмосфере) и ряда других парниковых газов, в результате определённых природных процессов эти газы могут поступать в атмосферу, существенным образом оказывая влияние на климат Земли.

Гипотеза 4. Вулканическая активность. Вулканическая активность является источником поступления в атмосферу Земли аэрозолей серной кислоты и большого количества углекислого газа, что также может значительным образом сказаться на климате Земли. Крупные извержения первоначально сопровождаются похолоданием вследствие поступления в атмосферу Земли аэрозолей серной кислоты и частиц сажи. Впоследствии поступивший в ходе извержения CO2 вызывает рост среднегодовой температуры на Земле. Последующее долговременное снижение вулканической активности способствует увеличению прозрачности атмосферы, а значит и повышению температуры на планете.

48

Гипотеза 5. Неизвестные взаимодействия между Солнцем и планетами Солнечной системы. В словосочетании «Солнечная система» не зря упоминается слово «система», а в любой системе, как известно, присутствуют связи между её компонентами. Поэтому не исключено, что взаимное положение планет и Солнца может влиять на распределение и силу гравитационных полей, солнечной энергии, а также других видов энергии. Все связи и взаимодействия между Солнцем, планетами и Землёй пока ещё не изучены, и не исключено, что они оказывают значительное влияние на процессы, происходящие в атмосфере и гидросфере Земли.

Гипотеза 6. В глобальном потеплении виноваты взрывы. Автором этой оригинальной теории является Владимир Шендеров. Согласно автору, взрывы, осуществляемые во время боевых действий, строительных и горнодобывающих работ, оказывают сильное влияние на недра планеты. В соответствии с законами Ньютона колоссальная, поглощённая земной корой энергия многочисленных взрывов должна вызывать противодействие. Это противодействие выражается в изменении климата на планете. Автор теории утверждает, что 0,04 % CO2 атмосферы не могут вызывать такое масштабное таяние льдов Земли, какое наблюдается в настоящее время. Причиной участившихся в последнее время катаклизмов являются взрывы различного назначения. Именно они вызывают увеличение количества ураганов, таяние вечной мерзлоты, сползание ледников Гренландии и Антарктиды (вследствие образования водной плёнки под ледниками). Основным доказательством теории является преимущественно низовой характер таяния ледников и вечной мерзлоты.

Гипотеза 7. Изменение климата может происходить само по себе без каких-либо внешних воздействий и деятельности человека. Планета Земля настолько большая и сложная система с огромным количеством структурных элементов, что её глобальные климатические характеристики могут ощутимо изменяться без всяких изменений солнечной активности и химического состава атмосферы. Различные математические модели показывают, что на протяжении века колебания температуры приземного слоя воздуха (флуктуации) могут достигать 0,4 °С. В качестве сравнения можно привести температуру тела здорового человека, которая варьирует в течение дня и даже часа.

Гипотеза 8. Всему виной человек. Самая популярная на сегодняшний день гипотеза. Высокая скорость климатических изменений, происходящих в последние десятилетия, действительно может быть объяснима всё возрастающей интенсификацией антропогенной

49

деятельности, которая оказывает заметное влияние на химический состав атмосферы нашей планеты в сторону увеличения содержания в ней парниковых газов. Действительно, повышение средней температуры воздуха нижних слоёв атмосферы Земли на 0,8 °С за последние 100 лет – слишком высокая скорость для естественных процессов, ранее в истории Земли такие изменения происходили в течение тысячелетий. Последние десятилетия добавили ещё большей весомости этому аргументу, так как изменения средней температуры воздуха происходили ещё большими темпами – 0,3–0,4 °С за последние 15 лет!

Вполне вероятно, что имеющее место в настоящее время глобальное потепление – результат действия многих факторов.

6.2.2. Человек и парниковый эффект

Приверженцы последней гипотезы отводят ключевую роль в глобальном потеплении человеку, который кардинальным образом меняет состав атмосферы, способствуя росту парникового эффекта атмосферы Земли.

Количество техногенных выбросов СО2 в атмосферу значительно возросло во второй половине XX в. Основной причиной этого стала колоссальная зависимость мировой экономики от ископаемых видов топлива. Индустриализация, урбанизация и стремительные темпы роста населения планеты обусловили увеличение мирового спроса на электроэнергию, удовлетворяющегося главным образом за счёт сжигания горючих ископаемых. В результате сжигания органического топлива только на тепловых электростанциях (ТЭС), не считая работу автомобильных двигателей и металлургических предприятий, в атмосферу ежегодно поступает более 5 млрд т углекислого газа (25 % техногенных выбросов диоксида углерода в атмосферу дают США и страны Евросоюза, 1,1 % – Китай, 9 % – Россия).

В результате за последние сто лет только за счёт сжигания топлива в атмосферу поступило 400 млрд т углекислого газа.

Наибольшая роль в имеющем место глобальном потеплении отводится водяному пару и углекислому газу. На их долю приходится более 95 % всего парникового эффекта.

6.2.3. Возможные сценарии глобальных климатических изменений

Глобальные климатические изменения очень сложны, поэтому современная наука не может дать однозначного ответа, что же нас ожидает в ближайшем будущем. Существует множество сценариев развития ситуации.

50