Учебник по экологии для технических специальностей - Н.И. Николайкин. Учебник по экологии для технических специальностей - Н.И. Никола. Технические науки и по специальностям в области 650000 Техника и технологии е издание, стереотипное москва 2004
 Скачать 4.61 Mb.
|
|
1 человека как вида. Увеличивается генетический груз человечества, отмечается рост психических и нервных заболеваний, снижается общая сопротивляемость болезням, усиливается стресс перенаселения в городах, агрессия, страхи т. д. Человек для оправдания названия своего вида Человек разумный должен планировать дальнейшую деятельность так, чтобы сохранить оставшуюся и по возможности восстановить утраченную биоту планеты за счет естественной саморегуляции природной среды. Современная эпоха характеризуется нарастающей необходимостью соблюдения экологического императива те. жесткого требования учитывать в хозяйственной деятельности человека природные экологические законы и ограничения, а также не превышать пределы экологической емкости природных экосистем. Емкость природных экосистем определяется их способностью к регенерации изъятых ресурсов и к восстановлению основных природных резервуаров (воздушного и водного бассейнов и земель, а также мощностью потоков биогеохимического круговорота. Если не учитывать экологическую емкость природных экосистем при развитии производства или при заселении каких-то участков земли, то возможны локальные кризисные ситуации. 1 Элиминация (от лат ellminare — изгонять) — исключение, устранение в палеонтологии — избирательное уничтожение отдельных особей или целых групп организмов в результате естественного отбора. 2 Императив (от лат imperativus — повелительный) — повеление, настоятельное требование, всеобщий обязательный закон. 362 Глава 8. ЧЕЛОВЕК В БИОСФЕРЕ На основе данных о емкости биосферы были проведены расчеты энергетического лимита хозяйственной деятельности человечества. Получено, что лимит составляет 0,74 • 10 1 2 ТВт, тогда как валовая мощность энергетики современного общества включая энергию ископаемых топлив), поданным В. Г. Горш кова, оценивается в 18 • 10 1 2 ТВт или в 24 раза больше допустимой величины. Энергетика природных биоценозов построена таким образом, что микроорганизмы (мелкие грибки и бактерии) потребляют примерно 90% энергии растительной биомассы, мелкие беспозвоночные животные — еще около 10%, а крупные животные (в том числе позвоночные) — всего 1 %. Эти организмы имеют малый коэффициент полезного действия, и их роль в биоте заключается в тонкой настройке функционирования сообществ. Следовательно, человек в естественных границах биосферы должен потреблять не более 1% добытой энергии, те. тратить только 1% на свои нужды, а 99% — на поддержание биоты. Биота является на данный момент единственным механизмом результативного управления окружающей природной средой, в которой только и может существовать человек. Сейчас энергетическая мощность биоты составляет примерно 1/1000 количества приходящей на Землю солнечной энергии. Столь малая часть регулирует климат, формирующийся за счет остального количества солнечной энергии. Увеличение доли биоты приведет к дисбалансу в климате планеты. Поэтому величина 1/1000 и является энергетическим лимитом, те. естественным барьером для дальнейшего увеличения хозяйственной деятельности человека. Силу антропогенного воздействия можно оценивать последующим основным критериям вероятности сохранения природных экосистем вероятности сохранения здоровья человека хозяйственному значению. Сохранность экосистем, как правило, оценивается по шкале обилия, те. шкале биопродуктивности (в частности, для растений об этом судят по проценту покрытия растительностью почвенного слоя по шкале разнообразия, включающей несколько индексов биологического разнообразия, обычно учитываемых при мониторинге. Таким образом, современное человечество находится на пороге экологической катастрофы, и непременным условием 8.3. Экологические кризисы и катастрофы 363 его дальнейшего существования является сохранение биосферы. Для этого следует выбрать такой путь развития цивилизаций, при котором как можно быстрее удастся резко уменьшить (в несколько раз) антропогенное давление на природную среду и тем самым оградить биосферу от разрушения. Контрольные вопросы и задания 8.1. В чем отличия и сходства человека и животного мира 8.2. Почему человек стал строить свою собственную экосистему 8.3. Полностью ли человек независим от факторов природной среды 8.4. Почему экологической нишей человека является вся наша планета 8.5. На какие типы можно подразделить среду обитания человека 8.6. Какие факторы окружающей среды, влияющие на здоровье человека, являются абиотическими 8.7. Какими факторами ограничен рост человеческой популяции 8.8. Почему в динамике роста человеческой популяции преобладает экспоненциальная зависимость 8.9. Что может произойти с человеческой популяцией, если ее численность достигнет предельной биологической емкости среды 8.10. В чем особенности современного экологического кризиса Сформулируйте его основные черты. ГЛАВА АНТРОПОГЕННОЕ ЗАГРЯЗНЕНИЕ БИОСФЕРЫ Загрязнение окружающей среды Привнесение в природную среду, или возникновение в ней новых, обычно нехарактерных, физических, химических, информационных или биологических агентов, или превышение в рассматриваемое время естественного среднемноголетнего уровняв пределах его крайних колебаний) воздействия перечисленных агентов на среду, приводящее к негативным (с позиций человека) последствиям, называют загрязнением. В наиболее общем виде ЗАГРЯЗНЕНИЕ — это все то, что появляется не в том месте, не в то время и не в том количестве, какое естественно для природы, что выводит ее системы из равновесия, отличается от нормы, обычно наблюдаемой и (или) желательной для человека. Необходимо обратить внимание на то, что те или иные агенты непросто воздействуют на воду, атмосферный воздух или почву, а объектом воздействия всегда является экосистема биогеоценоз. Поскольку в экосистемах эти агенты выступают в роли экологических факторов, то фактически происходит изменение режимов экологических факторов В результате один или несколько из них выходят заграницы своих оптимальных значений и даже могут выйти за пределы толерантности организмов соответствующего биоценоза, те. отклониться от требований экологической ниши того или иного организма и даже звена трофической цепи. В последнем случае нарушаются процессы обмена веществ между звеньями пищевой цепи, что сказывается на интенсивности ассимиляции продуцентов, а следовательно, и на продуктивности биоценоза в целом. Таким образом загрязняющим агентом может быть любой экологический фактор например любое вещество, находя Глава 9. Антропогенное загрязнение биосферы 3 6 5 щееся в составе воздуха, воды, почвы. Загрязнение среды — сложный, многообразный процесс. При изучении или описании современных процессов в экосистемах ив биосфере в целом принято выделять загрязнение • химическое (или ингредиентное), заключающееся виз менении химического состава среды (отклонении от нормального уровня концентрации характерных ингредиентов и от появления новых • физическое (или параметрическое, связанное с отклонением от нормы физических параметров окружающей среды • биологическое включающее микробиологическое (бактериями и вирусами — возбудителями болезней, носящих характер эпидемий) и макробиологическое (животными и растениями, случайно либо ошибочно интроду- цированными в новые экосистемы. В наши дни наиболее масштабными значительным загрязнением окружающей природной среды считается химическое загрязнение, в большинстве случаев рассматриваемое отдельно для атмосферы, гидросферы и литосферы. При физическом же загрязнении выделить особенности его воздействия на отдельные компоненты биосферы труднее, поэтому его принято подразделять на виды шумовое, электромагнитное, ионизирующее и т. п. (см. разд. 9.1.4). По масштабам воздействия различают загрязнение биосферы • локальное — характерно для городов, крупных промышленных и транспортных предприятий, районов добычи полезных ископаемых, крупных животноводческих комплексов и т. п • региональное — охватывает значительные территории и акватории как результат влияния крупных промышленных районов • глобальное — распространяется на большие расстояния от места возникновения и оказывает неблагоприятное воздействие на крупные регионы, вплоть до общепланетарного влияния (чаще всего связано с выбросами в атмосферу. Антропогенное загрязнение. Загрязнение, возникающее в результате хозяйственной деятельности людей, в том числе их прямое или косвенное влияние на состав и интенсивность природного (естественного) загрязнения называют антропогенным Эколог Э. Кормонди подчеркивал Загрязните 3 6 6 Глава 9. АНТРОПОГЕННОЕ ЗАГРЯЗНЕНИЕ БИОСФЕРЫ ли — нормальные побочные продукты жизнедеятельности человека как биологического вида и как социального творческого существа. Они представляют собой органические и неорганические отходы метаболизма и пищеварения, а также деятельности по выращиванию и защите урожая, обогреву жилища, производству одежды, овладению энергией и т. д. Антропогенные помехи. С позиций кибернетики загрязнение можно представить как комплекс помех в экосистемах, воздействующих на потоки вещества, энергии и информации в пищевых (энергетических, информационных) цепях. Однако эти помехи могут значительно превышать приспособительные возможности организмов, которые определяются эволюционно выработанной на уровне популяций нормой реакции или иначе экологическим стандартом. Поэтому в отличие от естественных помех антропогенные помехи часто ведут не к естественному отбору, а к массовому вымиранию организмов. В настоящее время основным загрязнителем окружающей природной среды стал человек При этом изготовление (производство) абсолютного большинства видов промышленной продукции интересует человеческое общество лишь в той мере, в какой она (продукция) удовлетворяет его потребности. Иначе говоря, целью всего, что делается человеком, является удовлетворение его потребностей в продуктах питания, одежде, благоустроенном жилье, медицинской помощи, лекарствах, транспортных услугах, информации, в культурно-эстетиче ской сфере и т. п. Так, железнодорожные составы, перевозящие уголь (мазут, нужны людям лишь постольку, поскольку это топливо будет сожжено в печах и даст тепло в их дома. Только ради удовлетворения потребности в тепле общество соглашается строить вблизи от жилья железнодорожные пути, станции, вагоноремонтные депо и другие объекты, негативно воздействующие на ОС. Тем не менее общепризнано и даже зафиксировано в Стратегии устойчивого развития Проект второй Мировой стратегии охраны окружающей среды, одобренной в 1992 г. на конференции ООН в Рио-де-Жанейро, что цель развития — улучшать качество жизни людей. Удовлетворение потребности общества в предмете, услуге, информации всегда связано с обменом между природной и техногенной средой веществом, энергией, информацией, в процессе которого они образуют сложные геотехнические комплексы и системы. При этом каждое предприятие (горнодобывающее, промышленное, транспортное, энергетическое, сельскохозяй- Глава 9. Антропогенное загрязнение биосферы 3 6 / ственное, коммунальное и т. д) вовлекает в свою производственную сферу сырье и природные ресурсы, а возвращает в окружающую природную среду лишь отходы производственных процессов. Всякая хозяйственная деятельность приводит к образованию отходов, которые рассеиваются во кружа ю щей природной среде, меняя диапазон естественных колебаний экологических (в первую очередь абиотических) факторов. Характеризуя химическое воздействие на окружающую природную среду, Всемирная организация здравоохранения ВОЗ) отмечает, что из более чем 6 млн известных химических соединений человеком непосредственно используется до 500 тыс. соединений, при этом из них около 40 тыс. обладают вредными для людей свойствами. В природной среде техногенные вещества и энергия (в виде - отходов) перераспределяются за счет миграции, трансформации и аккумуляции в различных компонентах биосферы. Так, пыление и газовыделение из хранилищ жидких и твердых отходов приводят к загрязнению атмосферы. Атмосферные осадки, вымывая загрязняющие вещества из воздуха, переносят их на подстилающую поверхность ив водоемы. Это в свою очередь способствует вымыванию и выщелачиванию мелкодисперсных и растворимых составляющих пород антропогенного и природного происхождения в поверхностные и грунтовые воды. Взаимный качественно-количественный массообмен существует также между поверхностными и подземными водоемами. Прямое и косвенное, преднамеренное и непреднамеренное воздействия на природу Прямым антропогенным воздействием называют непосредственное влияние деятельности человека на природные экосистемы. Прямое воздействие это любой вид непосредственного вторжения человека в биогеоценозы: строительство поселений, дорог, использование земель в сельскохозяйственном производстве, ведение лесозаготовок, охотничьего или рыболовецкого промысла, добыча полезных ископаемых, промышленное производство и др. Все это ведет к перерождению биогеоценозов и сужению разнообразия биологических видов, а также к накоплению загрязнений в природной среде. Последствия подобной деятельности не ограничиваются только прямым преднамеренным воздействием на природу. 3 6 8 Глава 9. АНТРОПОГЕННОЕ ЗАГРЯЗНЕНИЕ БИОСФЕРЫ Учитывать следует также косвенные и отдаленные последствия хозяйствования. Так, лесозаготовительные работы в бассейне реки могут привести кряду взаимосвязанных последствий уменьшению влажности почвы, снижению уровня грунтовых вод, усыханию притоков реки, снижению уровня воды в реке ив озере, куда она впадает, изменению водных и почвенных биоценозов. В озере могут создаться условия, уменьшающие численность некоторых видов рыб, развивающие цианобактерии (цветение водоема. В результате эта цепочка событий приведет к отрицательным последствиям для людей, живущих около водоема и пользующихся его водой. Характерные примеры цепной реакции непреднамеренных воздействий первичной преднамеренной хозяйственной акции — это последствия использования пестицидов в сельском хозяйстве. Ресурсный цикл. К концу второго тысячелетия в биосфере наряду с биогеохимическим круговоротом веществ сформировался антропогенный круговорот веществ, или ресурсный цикл. Ресурсный цикл — обмен веществ между природой и обществом, включающий извлечение естественных ресурсов из природной среды, вовлечение их в хозяйственный оборот с последующей утилизацией, а также возвращение трансформированной природной субстанции в окружающую среду. Аналогом ресурсного цикла является жизненный цикл продукции — новое понятие, введенное международными стандартами ИСО серии 14 000. На рис. 9.1 представлена схема ресурсного цикла, включающего основные этапы цепи сырье — производство — эксплуатация (потребление) — утилизация (вторичные ресурсы) — отходы. Этап. Разведка, добыча природного ресурса, представленного ы видом сырья или материала, топлива или энергии M i при г = 1,2, 3,..., п. Этап. Изготовление го изделия, детали, полупродукта N. при у = 1, 2, 3,..., т. Этап. Производство из Z N- изделий, деталей, полупродуктов некоего предмета потребления или объекта (например, транспортного средства, медицинского центра или космического спутника связи) для оказания в дальнейшем услуги соответственно, транспортной, медицинской, информационной или иной, необходимой обществу. Этап. Эксплуатация объекта (включая хранение, например, транспортных средств на стоянках) для удовлетворе- Глава 9. Антропогенное загрязнение биосферы 3 6 9 ния потребности общества и конкретных людей в предмете (потребление предмета, в транспортной, медицинской, информационной или иной услуге, а также в культурно-эстетической сфере, те. реализация той цели, для достижения которой на предыдущем этапе и был изготовлен предмет или объект. Этап. Ремонт объекта для восстановления утраченных потребительских свойств (технических характеристик) с целью продления срока службы, если это по каким-либо причинам например, экономическим) рациональнее изготовления объекта заново. Этап. Реновация объекта, те. подготовка к эксплуатации его (или его узлов, агрегатов, комплектующих) по иному назначению или виной (преимущественно менее ответственной) сфере потребления 2 Э та п 7. Утилизация объекта, его узлов и деталей, атак же всех отходов и веществ, уловленных при очистке выбросов в атмосферу и сбросов в природные водоемы на предыдущих этапах, с выделением всего, что может быть использовано повторно в качестве вторичных материальных (BMP) и энергетических ресурсов (ВЭР). На каждом этапе превращения природного ресурса в конечный продукт имеются потери используемого вещества. При добыче полезных ископаемых в отвалы направляется пустая порода. Значительны потери при транспортировке сырья к месту переработки. При выработке энергии, например с использованием органического топлива, оно полностью превращается в иные соединения — золу, шлаки, оксиды углерода и др. Отсутствие технологий, обеспечивающих комплексную переработку сырья (те. использующих все его компоненты) на стадии производства изделий, приводит к образованию большого количества отходов. 1 Является подциклом общего ресурсного цикла. 2 Диапазон возможностей для реновации очень широк. Он включает и перемонтаж выработавших летный ресурс авиадвигателей воздушных судов наречные и морские суда на подводных крыльях, и перевозку мебели на дачный участок при замене ее в современной городской квартире, и сезонные распродажи товаров. Реновация экологически эффективна также при решении задач конверсии военной техники и оборонных предприятий. Все вещества и энергия (бывшие природные ресурсы, за исключением возвращенных в ресурсный цикли ВЭР, после седьмого этапа поступают в окружающую природную среду, где они уже являются загрязнением. 3 7 0 Глава 9. АНТРОПОГЕННОЕ ЗАГРЯЗНЕНИЕ БИОСФЕРЫ Рис. 9.1. Схема использования природных ресурсов при удовлетворении неуловленное при потребностей общества (по НИ. Николайкину): очистке вещество и низкопотенциальная энергия, рассеивающиеся в окружающей среде Перемещение с этапа на этап требует дополнительных транспортных затрат, вызывающих в свою очередь загрязнение биосферы отходами транспортных средств. В среднем в процессе ресурсного цикла по целевому назначению используется не более 5% добытого вещества (а зачастую не более 1%), остальные 95% (99%) так или иначе попадают обратно в окружающую среду в виде отходов, не удовлетворив никаких потребностей человека. Так, поданным Госкомэкологии РФ, вначале х годов количество ежегодно извлекаемых природ- Глава 9. Антропогенное загрязнение биосферы 3 7 1 ных ресурсов составляло 53 т на одного жителя России. Добыча и переработка этой массы сырья ежегодно требовала около 7000 кВт ч электроэнергии и 800 т воды. В итоге в расчете на одного человека в год получалось 2—3 т конечной продукции, а остальная масса возвращалась в ОС в виде отходов. Конечная продукция в свою очередь также является отходами, только отложенными во времени. Изготовленные изделия (машины, оборудование, предметы потребления, полученные химические соединения, все, что произвел человек, включая шедевры искусства и памятники истории, рано или поздно изнашивается, выходит из строя, разрушается и рассеивается в ОС. Вовлекаемые в ресурсный цикл вещества полностью возвращаются в окружающую среду. Однако замкнутость ресурсного цикла существенно отличается от замкнутости биогеохимического или биотического цикла. Изъятый ресурс возвращается в биосферу в существенно измененном виде, в том числе с новым для природы сочетанием химических элементов. Такие соединения не могут быть ассимилированы в биосфере обычным путем. Кроме того, добытые для переработки природные ресурсы возвращаются неточно на место изъятия, а попадают в другие экологические системы характерный пример — добыча фосфатов, их использование в качестве минерального удобрения и последующая эвтрофикация водоемов. Следовательно, антропогенный ресурсный цикл является главным источником загрязнения окружающей среды. Ресурсный цикл (рис. 9.1) подобен пищевой (трофической) цепи в природных экосистемах итак же, как они, достаточно условен. Места добычи, производства, потребления и утилизации в этом цикле в большинстве случаев не совпадают, тогда как в природных экосистемах существуют не цепи, а разветвленные трофические сети. Благодаря этому обеспечивается наиболее эффективное использование всех ресурсов среды, в том числе происходит переработка отходов тут жена месте. В природе цепи трансформации всех веществ максимально замыкаются в циклы (круговороты) и понятия загрязнение не существует. Реализация ресурсного цикла в пределах одного предприятия невозможна даже теоретически. В полной мере 1 Подтверждением служит пример Робинзона Крузо, который, во-пер вых, не обошелся без инструментов и оружия со своего затонувшего корабля, а во-вторых, в конечном итоге создал условия жизни на уровне, никак не привлекающем современного человека. 3 7 2 Глава 9. АНТРОПОГЕННОЕ ЗАГРЯЗНЕНИЕ БИОСФЕРЫ это недостижимо ив рамках одного промышленного узла. Максимально возможное совершенствование ресурсного цикла хотя очень далекое от уровня совершенства трофической сети) достигается при создании территориально-производственных комплексов (ТПК). В этом случаев производство вовлекается наибольшая часть комплексного потенциала сырья, включая вскрышные породы, образующиеся при добыче ископаемых, побочные продукты и отходы производства. Основными направлениями совершенствования ресурсного цикла при некотором фиксированном уровне потребления общества являются уменьшение потерь на этапах добычи и транспортировки ресурсов разработка технологий, позволяющих использовать для производства (потребностей человека) максимально возможное количество компонентов извлекаемого сырья уменьшение материалоемкости продукции, энергоемкости производства и эксплуатации продукции увеличение срока службы изделий. Совершенствование ресурсного цикла идет по пути создания новых технологий, оптимизации технических решений в том числе оборудования, исходя из принципа минимизации экологического ущерба. Очевидно, что принципиально новые решения вызывают изменения на всех этапах ресурсного цикла. От одного итого же усовершенствования на разных этапах ресурсного цикла могут быть получены различные как по величине, таки по знаку экологические эффекты (или ущер бы). Например, разработка и широкое внедрение нового хладагента велись 20—30 лет с целью замены в холодильных установках экологически очень опасного аммиака на инертное, нетоксичное, пожаробезопасное вещество. Изначально хлор- фторуглероды (фреоны) казались идеальным решением проблемы, и лишь всестороннее изучение ресурсного цикла показало серьезную ошибочность этого вывода, ибо они оказались смертоносны для озонового слоя Земли. Другой пример экологически более чистые виды топлива, которые меньше загрязняют атмосферу при совершении такого же количества работы, выгодны для использования на транспорте, ноне выгодны при производстве, так как требуют более сложной переработки углеводородного сырья, большего расхода энергии, а в результате становятся дороже. 9 . 1 . Антропогенное воздействие на биосферу 3 7 3 Еще одним примером является происходящая в наши дни широкомасштабная компания по введению новых европейских стандартов на допустимые выбросы в атмосферу от автотранспорта. Двигатели внутреннего сгорания автомобилей — основные источники загрязнения атмосферы в городах и густонаселенных регионах. Принятые нормы допустимых выбросов автомобилей, введенные с 2000 г, столь высоки, что им удовлетворяют только лишь самые современные марки машин. При этом известно, что и эти марки совершенно бесперспективны для модернизации с целью соответствия уже принятым европейским нормам 2005 г. Таким образом, европейские страны в ближайшие годы сознательно идут на затраты (как экономические, таки экологические, связанные с производством и практически полной заменой парка легковых и грузовых автомобилей, ради резкого снижения объема выбросов в атмосферу, гарантируемого новыми нормами. Аналогичное происходит ив авиадвигателестроении. Современная экологическая экспертиза любых принимаемых решений обязательно должна быть всесторонней, учитывающей всевозможные последствия для окружающей природной среды, человека, растительного и животного мира, биосферы в целом. |