Концепции экологии. Учебное пособие

МОДУЛЬ 2

ЧЕЛОВЕК И БИОСФЕРА

АННОТАЦИЯ

Основное содержание модуля связано с рассмотрением особенностей взаимодействия человека с окружающей его природой. Прогресс человечества, позволивший ему стать уникальным биологическим видом, достичь высокого уровня комфортности и безопасности жизни, оборачивается нарастанием глобальных проблем, угрожающих самому существованию человека. Цели и ценности человечества вошли в противоречие с процессами, протекающими в биосфере, что и привело к возникновению критической ситуации.

Систематическое изложение негативных последствий человеческой жизнедеятельности направлено на уяснение необходимости коренного изменения нашего отношения к окружающей среде, формирования нового экологического мышления.

51

1.ЧЕЛОВЕЧЕСТВО И ЕГО ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТЬ

1.1.Феномен человека

Среди огромного разнообразия видов живых организмов, составляющих биосферу, выдающееся место занимает вид Homo sapiens (человек разумный). Первый представитель человеческого рода, каковым принято считать вид Homo habilis (человек умелый), начав изготовление орудий труда (пусть еще самых примитивных) положил начало доселе неизвестной стратегии выживания, оказавшейся чрезвычайно эффективной. Начавшийся около 2,5 млн. лет назад на африканском континенте каменный век открыл историю развития техники и технологий, которая со временем преобразила нашу планету.

Однако это революционное событие, как выясняется, заложило и первооснову тех проблем, которые сегодня оборачиваются угрозой выживанию человечества. С тех пор в эволюционном древе человека вымерло множество оказавшихся неприспособленными ветвей, в результате чего первая его попытка расселения по планете (начавшаяся примерно миллион лет назад) оказалась незавершенной. В частности, вымер потомок человека умелого Homo erektus (человек прямостоящий), мигрировавший из Африки в Евразию. В Европе на смену ему пришел архаический подвид человека разумного, получивший впоследствии имя Homo sapiens neandertalensis - по названию долины Неандерталь, где впервые была обнаружена его стоянка.

Однако неандертальский подвид, как установлено современной наукой, не стал предком современного человека (неоантропа). Вторая, на этот раз удачная, попытка расселения по планете была предпринята примерно 100 тыс. лет назад другим подвидом Homo sapiens, обитавшим в Африке . Именно его современная антропология считает биологическим предшественником современного человека.

Примерно 7 тыс. лет назад неоантроп научился плавить металл, и на этом закончился так называемый новый каменный век или неолит.

Но это произошло уже после того, когда состоялось еще одно выдающееся событие в истории антропогенеза, нередко именуемое Великой неолитической революцией. Речь идет об исключительно важных в истории человечества нововведениях, связанных с его переходом к оседлому образу жизни, открывшим путь к цивилизации.

Переход к оседлому образу жизни означал смену стратегии выживания - начало производст ва продукт ов пит ания на основе одомашнивания растений и животных. Охота и собирательство, тысячелетиями служившие источником пищи, по мере совершенствования охотничьих технологий и роста численности человечества стали давать сбои. Массовое истребление крупных млекопитающих обернулось локальными и региональными экологическими катастрофами антропогенного характера.

Однако вступление человека в сельскохозяйственную эпоху, как оказалось в дальнейшем, таило в себе зерна будущего экологического кризиса.

По мере роста населения земного шара сельскохозяйственное производство с необходимостью становилось все более интенсивным, энерговооруженным, технически оснащенным.

52

Современные сельскохозяйственные технологии основаны на выращивании так называемых монокультур на огромных площадях. Нетрудно понять, что здесь насущные интересы человечества вступают в антагонистическое противоречие с процессами, лежащими в основе устойчивого существования биосферы. Именно в разнообразии биогеоценозов состоит удивительная устойчивость биосферы, пережившей за свою долгую жизнь множество экологических катастроф различного масштаба.

Резкое искусственное обеднение биогеоценозов неизбежно порождает проблему борьбы с «вредителями сельского хозяйства»

Следует добавить, что с переходом к оседлому образу жизни человек изобрел не только металлургию, но создал еще и письменность, ставшую информационной основой такого феномена, как наука. Ну а роль науки в интенсификации сельскохозяйственного, а затем и промышленного производства, приведшей к возникновению техносферы, общеизвестна. Современные масштабы промышленного производства продуктов питания, товаров и услуг породили еще одну разновидность противоречий между человеком и биосферой, неотъемлемой частью которой он, кстати, является.

Речь идет о серьезном нарушении извечных процессов круговорота вещества через трофические цепи биосферы, ставящем человеческое общество перед двумя проблемами - исчерпания минеральных и органических ресурсов и глобального загрязнения среды обитания.

1.2. Взаимодействие в системе «Человек – Биосфера»

Двойственность человеческой природы, его биологическая и социальная сущность определила возникновение между ним и биосферой противоречий, порождающих и усугубляющих современный экологический кризис.

Человек издавна оказывал влияние на природу, воздействуя как на отдельные виды растений и животных, так и на сообщества в целом. В прошедшем столетии скачок в науке и технике, а также быстрый рост населения привели к тому, что антропогенное воздействие стало силой планетарного масштаба. Уже более 20% суши преобразовано человеком под сельскохозяйственные угодья, города, поселки, дороги, промышленные предприятия и т.д. Количество перемещаемого человеком в процессе промышленного производства вещества на порядок выше естественных рельефообразующих процессов. Расход кислорода в промышленности и транспорте составляет около 10% продукции кислорода всеми растениями Земли. Развивая концепцию биосферы, В.И. Вернадский предрекал переход биосферы под влиянием деятельности человека в новую фазу - ноосферу - сферу ведущего значения человеческого разума. Ноосфера (от греч. noos - разум и sphaira - шар) - новое эволюционное состояние биосферы, при котором разумная деятельность человека становится главным, определяющим фактором ее развития. Ноосфера предполагает тесное гармоничное взаимодействие биосферы и общества, адекватную взаимосвязь законов природы с законами мышления и социальноэкономическими законами общества.

К сожалению, сложившаяся сегодня антропосфера определяется не столько разумом человека, сколько его стихийной деятельностью. Осознание отдаленных экологических

53

последствий вмешательства в природные процессы значительно отстает от темпов научно-технического прогресса. Реальная возможность влиять на природу у человека появилась намного раньше, чем способность разумно планировать и осуществлять свою деятельность. Предпринимаемые в различных регионах мероприятия по преобразованию природы в интересах человечества, как правило, приносят ожидаемые результаты, однако наряду с ними проявляются непредвиденные последствия, неизменно оказывающиеся неблагоприятными в экологическом отношении.

Классическим образцом проявления подобных последствий стала необратимая катастрофа Аральского моря, порожденная благими намерениями обеспечения хлопковой независимости бывшего СССР. Казалось бы, благородная цель достигнута, «вода напоила иссушенную землю», но через какое то время выяснилось, что поверхностное, упрощенное моделирование ситуации обернулось непредвиденными печальными последствиями. В результате уникальное озеро-море превратилось в обезвоженный источник химического отравления целого региона, хлопка как не было, так и нет, как, впрочем, не существует уже и самого СССР, распад которого был ускорен этой и еще более масштабной Чернобыльской катастрофами.

Антропогенная деятельность в современных масштабах высвечивает нарастающую проблему мировой экономики и промышленности. Эту проблему можно сформулировать так: внутренне присущий биосфере круговорот веществ (читай - ресурсов) разорван и превращен в однонаправленный поток - на разрастающиеся свалки, а транзитом через них - в мировой океан.

История великих географических открытий, убедительно свидетельствует о том, что они становились побочным результатом поиска тех или иных ресурсов. Наша Земля - небольшая планета, ее диаметр составляет менее 13 тыс. километров, и ясно, что с иллюзией неисчерпаемости ее ресурсов следует решительно распрощаться. Космическая одиссея человечества, по всей видимости, неизбежна, но для ее реального осуществления потребуется длительная подготовка. Поэтому в свою новую постиндустриальную информационную эпоху человечеству предстоит кардинально перестроить свои технологии по образцу, созданному природой.

1.3. Человечество и природные ресурсы

Поскольку добыча и использование природных ресурсов является основой преобразующей деятельности человека и, следовательно, его могущества, приведем краткую характеристику и классификацию природных ресурсов.

Принято делить ресурсы на исчерпаемые и неисчерпаемые. К первым относятся ресурсы космического масштаба, такие, как солнечная радиация, энергия морских приливов и т.п., источник которых не подвержен влиянию со стороны человека. Можно лишь говорить о количественных изменениях, вносимых деятельностью человека. Например, снижение потока солнечной радиации из-за загрязнения атмосферы.

К неисчерпаемым относятся водные ресурсы планеты, поскольку в масштабе всей гидросферы запасы воды остаются неизменными. Однако в конкретных регионах количество воды может сильно колебаться. В последние годы учащаются

54

катастрофические засухи, происходит обмеление рек, озер и даже морей. Несмотря на неисчерпаемость водных ресурсов, человечество встало перед острой проблемой недостатка пресной (чистой) воды. Климат Земли также можно рассматривать как неисчерпаемый ресурс. В наибольшей мере человек использует атмосферный воздух и энергию ветра.

Исчерпаемые ресурсы делятся на невозобновимые и возобновимые. К невозобновимым природным ресурсам относятся те из них, которые абсолютно не восстанавливаются или восстанавливаются в сотни тысяч раз медленнее, чем идет их использование. К первым можно отнести каменный уголь, нефть и большинство других полезных ископаемых, ко вторым - торфяники, многие осадочные породы. Невозобновимость таких ресурсов требует от человека рационального и экономного их использования, а также минимизации потерь при добыче, перевозке и использовании. Поскольку запасы невозобновимых ресурсов ограничены, рано или поздно человеку придется найти им заменители.

К возобновимым природным ресурсам принадлежат почва, растительность, а также некоторые минеральные ресурсы, например, соли, осаждающиеся в озерах и морских лагунах. Эти ресурсы по мере их использования постоянно восстанавливаются. Однако для сохранения их способности к восстановлению нужны определенные естественные условия. Нарушение этих условий задерживает или вовсе прекращает процесс самовосстановления. Процессы восстановления протекают с определенной скоростью, и для разных видов ресурсов эта скорость может быть различной. Например, для восстановления отстрелянных животных требуется один год или несколько лет, вырубленного леса - не менее 60 лет, а для утерянной почвы - несколько тысячелетий. При нарушении условий восстановления таких природных ресурсов они могут стать невозобновимыми. Если вырубать лес, не сохраняя молодых деревьев или нетронутых участков, могут произойти необратимые изменения уровня грунтовых вод, влажности почвы, усилится эрозия и т. п., что не позволит вырасти лесу на этом месте вновь. То же относится и к животным. Судьба полностью истребленных человеком животных является ярким тому доказательством.

1.4. Антропогенное воздействие на атмосферу

Климатические условия на Земле определяются главным образом атмосферой. Жизнь на Земле едва ли могла возникнуть без атмосферы, которая защищает поверхность планеты от значительной части солнечной радиации. В свою очередь, несомненно, живые организмы оказывают сильное влияние на атмосферу.

Предполагается, что в период от 3,5 до 2,2 млрд. лет назад атмосфера Земли состояла из углекислого газа, паров воды, соединений азота, сероводорода, углекислого газа и водорода. Первые признаки увеличения содержания кислорода появились около 2 млрд. лет назад благодаря деятельности фотосинтезирующих бактерий.

55

1.4.1.Состав и структура атмосферы

Ватмосфере могут содержаться примеси водяного пара до 4%, взвеси пыли и микроорганизмы. Общую массу атмосферы оценивают примерно в 5,27•1015 т. Примерно 80% из них сосредоточено в нижнем слое атмосферы - тропосфере

Несмотря на низкую плотность воздуха (в 1000 раз меньшую, чем у воды) и свою сравнительно небольшую толщину, земная атмосфера защищает планету от большей части губительного для живых ор ганизмов солнечного излучения - ультрафиолетового (УФ), инфракрасного (ИК), рентгеновского и других, а также от падения метеоритов. Основную часть ультрафиолетового излучения поглощает слой озона, находящийся в стратосфере на высоте 20-25 км. Этот газ, представляющий собой трехатомную

модификацию молекул обычного кислорода (О2) образуется под действием УФ излучения и при разрядах электричества. Атмосфера прозрачна только для части ультрафиолетового, инфракрасного излучения, для света видимого спектра и некоторых радиоволн.

Еще одно важное свойство атмосферы - это давление. Человек может существовать в очень узком диапазоне давлений. На высоте более 5000 м над уровнем моря при давлении около 2/3 атмосферного у человека начинается «горная болезнь» (гипоксия), У альпинистов, например, на такой высоте работоспособность составляет около 15% от нормальной. Максимальное давление, которое может выдержать человек - 7-8 атмосфер, что соответствует давлению на глубине 70 м под водой. Чтобы погрузиться на большую глубину, аквалангистам приходится дышать специальной газовой смесью. Особенно опасен резкий перепад давлений, из-за которого может возникнуть «кессонная болезнь».

1.4.2.Загрязнение атмосферы

Состав атмосферы и ее физико-химических свойства могут изменяться вследствие поступления различных загрязняющих примесей. В зависимости от происхождения и основных свойств выделяют следующие виды загрязняющих веществ:

Природные (естественные): продукты извержения вулканов, природных пожаров, песчаных бурь; морская соль, пыльца растений, микроорганизмы и др.

Ант ропогенные (искусственные):

Механические - твердые нерастворимые частицы, взвешенные в воздухе (выбросы цемента, пыль, дым, копоть, образующаяся при сгорания топлива и т.п.).

Химические - вещества, способные вступать в химические реакции (выхлопные газы автотранспорта, выбросы промышленных предприятий и теплоэнергетического комплекса).

Радиоакт ивные - вещества, атомные ядра которых самопроизвольно распадаются с испусканием корпускулярного (α- и β-излучения) и электромагнитного излучения (жесткое рентгеновское и γ-излучение).

Известно около 2тысяч радионуклидов, большинство из которых получено искусственным путем.

56

Антропогенное загрязнение атмосферы, подразделяется на первичное и вторичное. Первичные загрязнители - это вещества, содержащиеся непосредственно в промышленных и бытовых выбросах. Вторичные загрязнители – это продукты трансформации первичных, нередко, более опасные.

Главным и наиболее опасным источником загрязнения атмосферы являются транспортные, промышленные и бытовые выбросы. Ежегодно в мире выпускается около 30 млн. автомобилей. К 2000 году их количество составляло примерно 500 млн., из них более 400 млн. легковых. Среди источников загрязнения воздуха автомобильный транспорт занимает ведущее место. За счет газов антропогенного происхождения образуются кислотные осадки ("кислотные дожди") и смог. Кислотные осадки представляют собой серную и азотную кислоты, образующиеся при растворении оксидов серы и азота. Они выпадают на поверхность земли вместе с дождем, туманом, снегом и пылью. Попадая в водоемы, кислотные осадки часто вызывают гибель рыбы и других организмов. Они также способны повреждать листву и вызывать гибель растений, ускорять коррозию и разрушение зданий и сооружений. Кислотные дожди чаще всего выпадают в районах с развитой промышленностью, но, распространяясь ветром, могут выпадать за сотни километров от мест своего возникновения.

Среди опасных для здоровья веществ, содержащихся в воздухе городов, есть большая группа канцерогенных веществ, накапливающихся в организме и вызывающих раковые заболевания. В первую очередь это относится к некоторым ароматическим углеводородам, поступающим в атмосферу с выхлопными газами автомобилей, выбросами промышленных предприятий и котельных. Вдыхание даже небольших количеств таких веществ на протяжении достаточно длительного времени приводит к их накоплению в организме и пагубным образом сказывается на здоровье людей.

В воздухе промышленных центров и крупных городов высокое содержание различных газов (в основном оксидов азота и углеводородов из выхлопных газов автомобилей) нередко приводит к образованию ядовитого тумана, который получил название "смог". Смог чрезвычайно вреден для большинства живых организмов. Он вызывает увеличение числа заболеваний среди населения и способствует распространению эпидемий гриппа. Наиболее опасен фотохимический смог, возникающий в результате химических реакций в загрязненном воздухе под воздействием солнечного излучения. Фотохимический смог вызывает раздражение, слизистых оболочек глаз, носа и горла, обострение легочных и хронических заболеваний, приводит к болезни и гибели домашних животных и растений. Он ускоряет коррозию металлов, вызывает повреждение резиновых и синтетических изделий, порчу красок и одежды.

С антропогенным воздействием на атмосферу связывают разрушение озонового слоя. Особенно быстро процесс разрушения озона происходит над полюсами планеты, где образуются так называемые "озоновые дыры". Первая озоновая дыра была зафиксирована в 1987 году над Антарктикой. Эта дыра быстро увеличивалась в размерах (около 4% в год) и вышла за контуры материка. Позже меньшая по масштабам озоновая дыра была зафиксирована в Арктике.

Опасность уменьшения озонового слоя заключается в том, что может снизиться поглощение атмосферой губительного для живой материи ультрафиолетового излучения.

57

Одной из основных причин уменьшения количества озона долгое время считалось производство и применение хлорфторуглеродов (фреонов), которые широко используются в производстве и быту в виде аэрозолей, пенообразователей, растворителей и т.д. Фреоны, попадая в атмосферу, разлагаются в стратосфере с выделением атомов хлора, который является катализатором разложения озона (О3)до кислорода (О2). В нижних слоях атмосферы фреоны могут сохраняться в течение десятилетий. Однако, судя по результатам длительного и непредвзятого изучения этого феномена, основная причина снижения концентрации стратосферного озона имеет естественное происхождение и связана с образованием полярных стратосферных облаков вследствие колебаний температуры над полюсами.

Что же касается роли фреонов, то она представляется второстепенной. Действительно, в последние годы наблюдается очевидный рост концентрации озона, и по расчетам к середине ХХI века можно ожидать полное восстановление озоносферы.

Антропогенное воздействие может вызывать не только уменьшение поглощения атмосферой некоторых излучений (как в случае с ультрафиолетом), но также и наоборот - к увеличению такого поглощения. Главным образом это касается инфракрасного (теплового) излучения и связано с проблемой "парникового эффект а". Сжигание большого количества топлива в отопительных системах и двигателях внутреннего сгорания приводит к быстрому увеличению содержания в атмосфере углекислого газа и метана. Эти газы поглощают тепловое излучение, что приводит к нагреванию атмосферы. Наличие углекислого газа, паров воды и метана в атмосфере приводит к появлению так называемого "парникового эффекта". Суть его заключается в следующем: солнечный свет, проходя через атмосферу, нагревает поверхность Земли. Переизлученное Землей тепло рассеивается в космосе, но часть его поглощается атмосферой, что приводит к ее нагреванию. Наличие парникового эффекта приводит к увеличению средней температуры и сглаживает ее суточные и сезонные колебания.

За последние 100 лет концентрация углекислого газа по разным данным увеличилась от 14 до 25% , а метана - на 100%. Вследствие этого поглощение тепла атмосферой возрастает и наступает глобальное потепление климата. Предполагается, что в ближайшие 50 лет произойдет потепление климата на 2 - 5° С по сравнению с доиндустриальной эпохой. Глобальное потепление может привести к интенсивному таянию ледников и повышению уровня Мирового океана. При этом окажутся затопленными многие густонаселенные прибрежные районы. Однако увеличение температуры происходит неравномерно, что вызывает резкое изменение климата и перераспределение осадков. Несмотря на общее увеличение осадков, климат в центральных районах материков может стать более засушливым. Например, в 1990-х годах в Африке и Северной Америке участились катастрофические засухи, которые связывают с глобальным потеплением.

Однако и здесь существует диаметрально противоположная точка зрения, объясняющая наблюдаемые явления в первую очередь естественными причинами. Существует опасность использования угрожающих прогнозов определенными политическими и деловыми кругами для достижения собственных целей.

58

1.4.3. Пути предотвращения загрязнения воздуха

Очевидно, что в условиях сильной загрязненности атмосферы большое значение приобретают работы по очистке воздуха и его охране. Наиболее эффективными способами уменьшения вредных выбросов в атмосферу признаются:

1.Внедрение безотходных и малоотходных производств и технологических процессов.

2.Повышение эффективности очистительных установок и использование замкнутых воздушных циклов.

Все промышленные объекты при наличии выбросов в атмосферу должны быть оборудованы пыле- и газоулавливающими устройствами. Кроме уменьшения загрязнения окружающей среды пыле- и газоуловители могут дать существенный экономический эффект. Так, извлечение серы из газообразных отходов дает возможность получить многие тысячи тонн серной кислоты в год. Улавливание цементной пыли из отходов цементных заводов позволяет дополнительно получать цемент наиболее высокого качества.

Интенсивное загрязнение воздуха городов выхлопными газами автотранспорта стимулирует поиск альтернатив двигателю внутреннего сгорания. Несмотря на многие трудности, определенные успехи в этом направлении есть. Создаются автомобили на солнечных батареях и аккумуляторах, с гибридными двигателями, активно исследуются возможности применения других виды топлива и источников энергии. Остается дело за малым - сделать их производство экономически эффективным и экологически чистым.

1.5. Антропогенное воздействие на гидросферу

Совокупность всей воды на Земле образует водную оболочку - гидросферу, которая тесно связана с литосферой и атмосферой. Вода - достаточно распространенное вещество на Земле и, казалось бы, не отличается особой сложностью. Однако эта простота обманчива. Вода, наверное, одно из самых удивительных веществ во Вселенной и обладает рядом уникальных физико-химических свойств:

Сочетание этих свойств делает воду незаменимой для организмов, биосферы и жизни на Земле вообще. Без участия воды не протекает ни один биохимический процесс и не может существовать ни один организм. Рассмотрим подробнее значение свойств воды для жизнедеятельности биосферы:

Находясь в жидком состоянии на большей части планеты, вода является самым распространенным растворителем на Земле и основой для внутренней среды организма. Все биохимические реакции протекают в водных растворах.

Высокая удельная теплоемкость воды определяет медленное нагревание и охлаждение воды, тем самым, смягчая действие экстремальных температур.

Водяной пар в ат мосфере поглощает часть солнечной радиации, влияя на климат в целом и на погоду в отдельной местности.

Вода - единственный источник свободного кислорода в атмосфере, выделяемого при фотосинтезе, и ионов водорода (Н+) в клеточных энергетических процессах.

59

Вода усиливает эрозию литосферы. Моря и реки размывают берега, переносят растворенные и взвешенные вещества и откладывают их в других местах.

Реки выносят в море большое количество биогенных веществ, тем самым, увеличивая его продуктивность.

Без воды не может существовать жизнь на земле. Потеря животным организмом 10 - 20% влаги приводит к смертельному исходу.

В среднем, человеку необходимо получать 2,5 литра воды в сутки. При определенных условиях потребность в воде возрастает.

1.5.1. Мировые запасы воды

Запасы воды огромны и, казалось бы, неисчерпаемы. Моря и океаны занимают около 71% земной поверхности. По оценкам в гидросфере содержится до 1450 млн. км3 воды.

Однако только очень небольшая часть (менее 3 %) всех запасов воды является пресной и пригодна для удовлетворения основных нужд человека. Проблема усложняется тем, что пресная вода распределена по Земному шару крайне неравномерно.

ВЕвропе и Азии, где проживает около 70% населения планеты, сосредоточено лишь 39% речных вод.

Хотя доля пресной воды в гидросфере невелика, высокая активность водообмена многократно увеличивает ее запасы. Активность водообмена измеряется временем, за которое происходит полная смена воды в определенной части гидросферы или водоеме.

ВМировом океане смена воды происходит примерно за 3 тысячи лет, в реках - за 10-14 суток, атмосферная влага сменяется за 8-10 дней.

Вследствие сельскохозяйственной деятельности человека происходит быстрое уменьшение речного стока большинстве регионов. К настоящему времени из-за антропогенного воздействия годовой сток крупных рек снизился от 10% до 40%. Особенно велика нагрузка на малые реки. Чрезмерное использование ресурсов рек приводит к резкому снижению их стока и активному заиливанию.

1.5.2. Использование водных ресурсов

Считается, что мировые запасы воды неисчерпаемы. Однако человек для своих нужд использует, в основном, лишь очень небольшую их часть - пресную воду. Запасы пресной воды очень ограничены и вполне могут быть исчерпаны. Человечеству не угрожает недостаток воды, ему грозит недостаток пресной воды, необходимой во всех основных областях человеческой деятельности.

Интенсивное увеличение потребления воды современным обществом привело к возникновению проблемы нехват ки пресной воды. Основными причинами появления этой проблемы считаются:

1.Увеличение потребности в воде вследствие быстрого роста народонаселения планеты и увеличения промышленного и сельскохозяйственного производства.

2.Потери воды из-за сокращения водоносности рек

60