Природа парниковых газов и кислотных дождей. Учебное пособие

2.3. Техногенная составляющая ксеноморфной фазы развития Земли

Согласно геологическому словарю термин «ксеноморфный» применяется к минералам, которые не имеют свойственных им кристаллографических очертаний в силу того, что кристаллизуются позже других минералов (Геологический словарь. 1978. Т.1, с. 278). Появление новых минералов и соединений, чуждых природе (поллютантов), открываемых ежегодно до 5 тыс. наименований, особенно органических, дало возможность Н. С. Волкову предложить феноменологическую модель развития города как геотехнической системы и смены состояния химических элементов в нем, в процессе развития общества (Н. С. Волков, 2003, с. 15).

Правомочность такого подхода к истории развития общества (первая, вторая технические революции и научно-технический прогресс) через город, городские агломерации и государства (развитые и развивающиеся) вполне актуальна по следующим обстоятельствам: в настоящее время в городах проживает около 80 % (2020 г.) всего населения Земли (7 млрд); в них сосредоточено основное количество техники, транспорта и информационных систем (И. А. Карлович, 2020, с. 56); население планеты поглощает О и выдыхает СО в объеме 1,5 млрд т в год; техника и технологии формируют глобальные техногенные процессы, вещества и энергии.

Так, общая масса вещества, задействованного в антропогенном круговороте на Земле, в 2002 г. превысила 4 трлн т. Объемы жилищ- но-коммунальных отходов стали превышать объемы производственных отходов. В водоемы выбрасывается до 3,9 млрд т жидких и до 0,7 млрд т твердых отходов в год. В атмосферу вместе с техногенной пылью и газом стало поступать до 530 кДж теплоты в год, что может стать одной из причин потепления климата. Есть предположение, что избыточное поступление техногенного СО в атмосферу привело к региональным пожарам в Евразии. Территории почти всех государств испытали антропогенную нагрузку, и лишь в некоторых из них имеются ненарушенные земли: в России (69 %), Китае (20 %) и Финляндии (9 %). В мире остался резерв ненарушенных земель 39 %, но там

51

нет никакого производства: Антарктида, Арктика и высокогорные регионы.

Загрязнения государств (территорий) приняли специфическую геохимическую нагрузку (тяжелые металлы), органогенную (углеводороды, синтетики, пластмассы и пр.) и электронную (информационная среда (sinergonet)) нагрузки.

Антропогенная нагрузка на окружающую среду определяется уровнем развития государства (табл. 2.4).

Таблица 2.4

Причины деградации земель в мире (данные ООН по состоянию на 2015 г.)

На некоторых территориях, испытавших техногенную и антропогенную трансформацию, почти не осталось природных экосистем: в тундре их осталось 30 %, в тайге – 20 %, в широколиственных лесах и степях – 0 %, в пустынях и во влажных тропических лесах ‒ 30 ‒ 40 %, в манграх – 5 %, в саваннах – 10 % (Ю. А. Исаков с соавт., 1980,

с. 16).

Показательно соотношение площадей естественных и антропогенных пустынь в мире. Сильно пострадали от антропогенного влияния Евразия и Африка (табл. 2.5).

52

Таблица 2.5

Соотношение площадей естественных и антропогенных пустынь в мире, млн км2 (данные ООН, 2015 г.)

Пагубность лесных пожаров, вырубка лесных массивов в Бразилии, Центральной Америке, России привели к уменьшению биопродуктивности планеты на ⅓ (данные ООН, 2022). К признакам глобального экологического кризиса следует отнести первую и вторую мировые войны; военные конфликты в Югославии, арабских странах, на Украине; события в Чернобыле, Челябинске (1958 г.); авария на нефтяной скважине в Мексиканском заливе; подрыв газопровода в Белом море (вышло наружу 800 млн м3 газа (сентябрь 2022 г.); сброс атомных бомб на Хиросиму и Нагасаки в 1945 г. (погибло 80 и 60 тыс.человек). Эти трагедии носят глобальный характер, приводят к деградации окружающей среды и режиму дезадаптации биокосных объектов.

Экологический кризис охватил практически все страны. Его проявление в разной степени отразилось почти на всех сферах географической области, задействованной в антропогенной деятельности общества. Это загрязнение экосфер поллютантами, в первую очередь тяжелыми металлами, газами и кислотами. Процесс загрязнения окружающей среды техногенными веществами (поллютантами), стал соизмеряться с объемом продуцирования органического углерода от жизнедеятельности растительности (фотосинтез) и поверхности океана (фотодиссоциация лучистой энергии Солнца). Неконтролируемое поступление в окружающую среду техногенных веществ теоретически может вызвать проявление климатического фактора, отдельные аномалии которого известны во многих регионах Земли. Речь идет о пожарах, охвативших в 2020 ‒ 2022 гг. Северную и Южную Америку; Европу: Францию, Испанию, Италию, Германию, Грецию, Англию; Азию; Россию, Индонезию и Австралию. Кстати, пожары на северо-

53

востоке России в 2022 г. дошли до Южной Якутии и Хабаровского края.

Основу техногенного загрязнения окружающей природной среды представляют добыча и использование минерального сырья. В год добывается в среднем до 120 Гт сырья, из которых 100 Гт – рудные и 20 Гт – углеводороды. Каждые 10 ‒ 15 лет объем добычи удваивается. Так, например, в 1900 г. в мире было извлечено из недр Земли

12 млрд т сырья, в 1950 г. – 60 млрд т, в 1980 г. – 120 млрд т, в 2000 г. ‒ 280 млрд т (И. А. Карлович, 2003, с. 26).

В. В. Добровольский отмечал, что почвы мира повсеместно испытали лимонизацию (В. В. Добровольский, 1998, с. 106), а работы В. А. Алексеенко и М. А. Глазовской подтверждают значительное загрязнение почв России тяжелыми металлами (В. А. Алексеенко, 2000,

с. 86; М. А. Глазовская, 1988, с. 160).

Напрашиваются два вывода: первый определяет антропогенный процесс в качестве геологической силы, который превышает значения геологического, так как он происходит в сжатые сроки, в отличие от природного геологического процесса. Например, на Курильских островах протяженностью 1200 км находятся 32 вулкана; с 1930 по 1963 г. изверглось 2,6 км³ вулканического материала. В среднем это составляет 0,08 км³ в год или 6,7 · 10 км³ в год на 1 км² острова. На территории Криворожского железорудного бассейна протяженностью 75 км действуют 7 карьеров и 8 подземных рудников; с 1953 по 1991 гг. извлечено не менее 2,2 км³ горных пород. В среднем это составляет 0,06 км³ в год или 8,0 · 10 км³ в год на 1 км протяженности территории» (Г. Б. Наумов, 2010).

Второй вывод определяет антропогенную деятельность общества в качестве техногенной составляющей ксеноморфной фазы развития окружающей среды в планетарном масштабе.

Контрольные вопросы и задания

1.Почему развитые страны оказались менее загрязненными поллютантами, чем развивающиеся?

2.Почему Россия оказалась под влиянием экстенсивного пути развития?

54

3.В чем причина неполного использования минеральных ре-

сурсов?

4.Как сказывается появление техногенных ландшафтов на продуктивности биосферы Земли?

5.Как сказывается увеличивающееся народонаселение планеты на загрязнение атмосферы СO2?

6.Опишите значение каждого показателя, помещенного в табл. 2.1, с позиций развитого и развивающегося государства.

7.Сравните загрязненные территории США, Китая, Великобритании, Германии, Франции и России, сделайте вывод.

Библиографический список

1.Акимова, Г. А. Основы экоразвития : учеб. пособие / Г. А. Аки-

мова, В. В. Хаскин. – М. : Рос. экон. акад., 1994. – 312 с. ‒ ISBN 5- 7307-0043-1.

2.Алексеенко, В. А. Экологическая геохимия : учебник /

В. А. Алексеенко. ‒ М. : Логос, 2000. – 627 с. ‒ ISBN: 5-88439-001-7.

3.Экологические проблемы / Ю. М. Арский [др.]. – М. : МНЭПУ, 1997. – 230 с.

4.Бушуев, В. В. Основы эргодинамики / В. В. Бушуев, В. С. Го-

лубев. – М. : МГУ, 1991. – 446 с.

5.Волков, Н. С. Геохимическая эволюция кадмия в естественном и природном циклах миграции / Н. С. Волков // Техногенез и геохимическая эволюция таксонов биосферы. – М. : Наука, 2003. С. 113 ‒

140.‒ ISBN 5-02-002827-4.

6.Глазовская, М. А. Геохимия природных и техногенных ландшафтов СССР / М. А. Глазовская. – М. : Высш. шк., 1988. – 38 с.

7.Григорьев, Ал. А. Экодинамика и геополитика. В 2 т. Т. 2. Экологические катастрофы / Ал. А. Григорьев, К. Я. Кондратьев. –

СПб. : РФФИ, 2001. – 687 с. ‒ ISBN 5-900786-04-8.

8.Исаков, Ю. А. Классификация, география и антропогенная трансформация экосистем / Ю. А. Исаков, Н. С. Казанская, Д. В. Пан-

филов. ‒ М. : Наука, 1980. ‒ 226 с.

55

9.Карлович, И. А. Основы техногенеза. Кн. 2. Факторы загрязнения окружающей среды / И. А. Карлович ; Владим. гос. пед. ун-т. –

Владимир, ВГПУ, 2003. ‒ 544 с. ‒ ISBN 5-87846-401-2.

10.Карлович, И. А. Современный техногенез : учеб. пособие / И. А. Карлович ; Владим. гос. ун-т им. А. Г. и Н. Г. Столетовых. ‒

Владимир : Изд-во ВлГУ, 2015. ‒ 165 с. ‒ ISBN 978-5-9984-0614-0.

11.Карлович, И. А. Основы региональной геоэкологии : учеб. пособие / И. А. Карлович ; Владим. гос. ун-т им. А. Г. и Н. Г. Столето-

вых. – Владимир : Изд-во ВлГУ, 2020. ‒ 160 с. ‒ ISBN 978-5-9984- 1164-9.

12.Наумов, Г. Б. Геохимия биосферы : учеб. пособие / Г. Б. Нау-

мов. – М. : Академия, 2010. – 384 с. ‒ ISBN 978-5-7695-5798-9.

13.Прокачева, В. Г. Техногенно загрязняемые земли по государствам и континентам / В. Г. Прокачева, В. Ф. Усачев. – СПб. : Недра, 2002. – 56 с. ISBN 5-94365-039-3

14.Юсфин Ю. С. Промышленность и окружающая среда / Ю. С. Юсфин, Л. И. Леонтьев, П. И. Черноусов. – М. : Академкнига, 2002. – 469 с. ‒ ISBN 5-94628-033-3.

56

Глава 3. ПАРНИКОВЫЕ ГАЗЫ И ИХ ВЛИЯНИЕ НА КЛИМАТ

3.1. Техногенез атмосферы

Известно, что загрязнение атмосферы происходит от двух источников: природных и антропогенных. Такие загрязнения (газы) объединяются под общим названием «парниковые газы». К парниковым газам относится небольшая группа, которая в некоторой степени влияет на климатическую постоянную атмосферы: водяной пар, двуокись углерода, озон, азот, метан и др.

3.1.1. Водяной пар

Известно, что в атмосфере находится около 1,3·1013 т водяного пара, что соответствует слою воды в 2,5 см2. Содержание водяного пара в атмосфере полностью зависит от температуры. Поэтому в полярных районах в приземном воздухе сосредоточено всего 0,2 % водяного пара, а в экваториальных ‒ до 3 %. На количество водяного пара оказывают влияние высокая влажность (за счет испарения воды в водных бассейнах); лесные пожары; выделяющаяся при дыхании организмов влага. Одновременно с этим при насыщении воздуха водяным паром возникает его конденсация и образуются атмосферные осадки. В круговороте воды между земной поверхностью и тропосферой участвует около 1,2·1012т воды в сутки, или около

4,4·1014т в год.

Несмотря на установившееся равновесие в балансе водяного пара в атмосфере, появляются регионы с выраженным нарушением этого равновесия по природным или антропогенным причинам. Например, массовые лесные пожары формируют высокую приземную температуру, концентрацию влаги в облаках, перенос дождевых облаков на большие расстояния ветром и выпадение обильных осадков в других регионах. Так, в июне ‒ июле 2002 г. в России от пожаров пострадало более 180 тыс. га леса (восток и центр страны), а в Предкавказье в это время прошли сильные дожди, сели и наводнения. Такая ситуация с обилием пожаров, дождей и селей наблюдалась во многих реги-

57

онах России, начиная с 2000 по 2021 г. включительно, что подтверждает глобальное нарушение природного равновесия между нижними слоями тропосферы и поверхностью почв.

Начиная с 2003 года по настоящее время пожары охватили всю европейскую часть России, потом Сибирь, а также европейские страны (И. А. Карлович, 2022).

В результате круговорота воды и перехода ее из газообразного состояния обратно в жидкое в атмосфере концентрируется и переносится около 6,5·1020 калорий тепла в сутки, или 4,4·1023 калорий в год. Метеорологи подсчитали, что молекулы воды в атмосфере препятствуют тепловому излучению поверхности Земли в космос, формируя тем самым вместе с молекулами СО2 парниковый эффект. Чем больше содержание водяного пара в атмосфере, тем выше парниковый эффект. Двуокись углерода совместно с другими парниковыми газами может в определенной мере влиять на климатические установки, но наряду с этим СО2 является связующим звеном между органическим Сорг и карбонатным Ск углеродом, атмосферным, гидросферным, педосферным и литосферным карбонатом в его природном массообмене.

Вода считается важным компонентом атмосферы. Ее среднее содержание составляет 0,4 %. Газообразная вода поглощает инфракрасное (ИК) излучение в областях от 2,5 до 7 мкм. Над Мировым океаном газообразной воды в воздухе больше, чем над континентом, поэтому тепловой эффект водяного пара над Мировым океаном будет несколько выше, чем над континентом. Установлено, что повышенное испарение водяного пара в воздухе над океаном приводит к росту поглощения ИК-излучения. Это обусловливает дополнительное нагревание земной поверхности. Эффект нагревания,

вызванный поглощением и повторным испусканием ИК-излучения парниковыми газами, принято называть парниковым эффектом.

Природа парникового эффекта в воздухе почти такая же, как в парниках в личных садовых хозяйствах: внутри значительно теплее, чем снаружи. Аналогично и в воздухе, в котором происходит чередование слоев с разным инфракрасным излучением.

58

3.1.2. Двуокись углерода

Содержание двуокиси углерода в тропосфере составляет 0,036 % (около 2,6·1012 т), но у земной поверхности количество ее колеблется от 0,2 до 0,004 %. Значение двуокиси углерода велико для экосферы, техносферы, гидросферы и литосферы. Так, двуокись углерода – основное питание земных растений, важный фактор выветривания горных пород, литогенная основа карбонатов.

Источниками преобладающей части химического и теплового загрязнения атмосферы являются термохимические процессы в энергетике – сжигание и связанные с ним термические и химические процессы и утечки. Главные реакции, определяющие при этом эмиссию углекислого газа, паров воды и теплоты Q, а также растворимость в воде, следующие:

уголь

С+О2 → СО2 (+Q);

углеводороды

СnНт + [n + 0,25 т]О2→nСО2→nСО2 + [0,5т] Н2О (+ Q), где Q = 102,2 n + 47,7т кДж/моль.

Природные циклы углерода. Оценка роли природного и антропогенного СО2 в формировании техносферы и современного климата была бы неполной без анализа динамики массообмена углерода в геосферах. Различают два круговорота углерода в природе – малый и глобальный. Малый круговорот связан процессами массообмена почвенного углерода через лесные массивы и болотные ветлуги с биосферным углеродом с сезонными циклами и временем жизни леса (до ста лет) и болотных экосистем (до тысячи лет). Причем только на суше (в гумусе педосферы) за период около тысячи лет накоплено углерода в два раза больше, чем его содержится в атмосфере (В. В. Доб-

ровольский, 1998, с. 175).

Глобальный круговорот углерода определяется геологическим циклом, связывающим свободный атмосферный углерод (СО и СО2) через мировые биогенные растительные системы суши и океана в сложные химические соединения – горные породы (А. Б. Ронов, А. А. Ярошевский, 1978). Следует отметить большой разброс данных по содержа-

59

нию углерода, полученного от антропогенных источников у различных авторов (например, по В. В. Добровольскому, антропогенный углерод измеряется в пределах от 5·109 т/г. до 108·109 т/г.). Это объясняется количеством исследованных источников, которые постоянно находятся в динамике. При любом варианте оценки углерода роль техногенной составляющей значительна и при анализе круговорота углерода эту составляющую необходимо учитывать.

Система атмосфера – биосфера – гидросфера обладает способностью саморегулирования в течение геологических периодов эволюции Земли (А. Л. Яншин, 1993). Каждый период, эпоха отображают естественное состояние саморегулирования системы в виде горных пород, отложившихся в строгой циклической последовательности из Мирового океана в процессе седиментогенеза. Сложившаяся проблема оценки масс Ск и Сорг, ежегодно участвующих в процессе массообмена, сводится к расчету количества циклов осадконакоплений карбоната кальция. В наиболее простом варианте цикл осадконакопления карбонатов кальция происходит по следующей схеме: дождевые воды, содержащие растворенную СО2 атмосферы, выпадая на обнаженную поверхность карбонатных пород, растворяют их, а ионы Са2+ и НСО3– с речным стоком возвращаются в океан, там выпадают в осадок (СаСО3) и тем самым завершают круговорот СО2, начавшийся от дегазации магмы через вулканические извержения (рис. 3.1). Из рисунка 3.1 следует, что в процессе дегазации двуокиси углерода из мантии (0,014·109 т/г.) он поступает в атмосферу, биосферу и гидросферу. Часть соединений углерода образуется при выветривании горных пород (0,7·109 т/г.), он также пополняет атмосферу и другие сферы. Но основное количество углерода в процессе седиментогенеза выводится из вод Мирового океана и связывается в карбонатные системы:

Атмосфера СО2

Океан Н2О Н2СО3 Н++[НСО3]- Н++[СО3]2-+Са2

СаСО3

60