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.
|
|
9.1. Антропогенное воздействие на биосферу Человек, как и любой другой организм, с момента возникновения на Земле влиял на биосферу. Выделяют следующие основные этапы воздействия человека на окружающую среду влияние на биосферу как биологического вида • сверхинтенсивная охота без изменения экологических систем в целом (в период становления человечества изменение экосистем через естественно идущие процессы пастьбу, усиление роста трав путем их выжигания и т. п усиление влияния путем распашки земель и вырубки лесов глобальное изменение структурных компонентов наиболее крупных экосистем, биомов и биосферы в целом. 3 7 4 Глава 9. АНТРОПОГЕННОЕ ЗАГРЯЗНЕНИЕ БИОСФЕРЫ Последний этап начался примерно 250 лет назад. Источниками антропогенного воздействия на биосферу, а следовательно, и загрязнения являются промышленные предприятия, транспорт, сельское хозяйство, сфера потребления и быта — любая деятельность современного человека. Воздействие на биосферу современного человека происходит последующим основным направлениям изменение структуры земной поверхности (распашка земель, горнодобыча, вырубка лесов, осушение болот, создание искусственных водоемов и водотоков и т. п изменение химического состава природной среды, круговорота и баланса веществ (изъятие и переработка полезных ископаемых, размещение отходов производства в отвалах, на полигонах, в атмосферном воздухе, водных объектах изменение энергетического (в частности, теплового) баланса в пределах как отдельных регионов земного шара, таки на планетарном уровне изменения в составе биоты (совокупности живых организмов) в результате истребления одних видов животных и растений, создания других видов (пород, перемещения их на новые места обитания (интродукция. По состоянию наконец в. среди существующих источников воздействия выделяют • главные источники антропогенного загрязнения воздуха энергетику, транспорт, черную и цветную металлургию, химию и нефтехимию • основные загрязнители гидросферы предприятия цел люлозно-бумажной, нефтеперерабатывающей, химической, пищевой и легкой промышленности. В последнее время значительно увеличилась доля загрязнений, поступающих в водоемы от индустриального сельского хозяйства • основная масса промышленных твердых и жидких отходов образуется на предприятиях горнодобычи и гор нопереработки, энергетики, металлургической и химической отраслей промышленности. Твердые отходы, поступающие в окружающую среду, подразделяют на сельскохозяйственные, промышленные и бытовые. Утилизация твердых бытовых отходов повсеместно затруднена. 9 . 1 . Антропогенное воздействие на биосферу 3 7 5 9 . 1 . 1 . Воздействие на атмосферу Воздух как природный ресурс представляет собой общечеловеческое достояние. Постоянство его состава (чистота) — важнейшее условие существования человечества. Поэтому любые изменения состава рассматриваются как загрязнение атмосферы. Основными ингредиентами загрязнения атмосферы являются оксиды углерода (СО, азота (N0 X ) и серы (SO^.), углеводороды ( ^ Ни взвешенные частицы (пыль. Загрязняющие вещества, выброшенные в воздушный бассейн в виде газов или аэрозолей, могут оседать под действием силы тяжести (крупнодисперс ные аэрозоли физически захватываться оседающими частицами осадками) и поступать влито- и гидросферу включаться в биосферный круговорот соответствующих веществ (углекислый газ, пары воды, оксиды серы и азота и пр изменять свое агрегатное состояние (конденсироваться, испаряться, кристаллизоваться и т. пили химически взаимодействовать с другими компонентами воздуха, после чего пойти одним из вышеуказанных путей находиться в атмосфере относительно длительное время, переносясь циркуляционными потоками в различные слои тропо- и стратосферы ив разные географические области планеты до тех пор, пока не создадутся условия для их физической или химической трансформации (например, фреоны. Сводные данные о количестве наиболее распространенных выбросов (табл. 9.1) показывают, что их основная часть приходится на промышленно развитые страны Северной Америки и Европы ив меньшей степени Азии. Динамика изменения объемов антропогенных выбросов в мире в конце XX в. приведена на рис. 9.2. В результате антропогенного воздействия на атмосферу возникают локальная или региональная загазованность приземного слоя трансграничный перенос загрязнений на значительные расстояния 3 7 6 Глава 9. АНТРОПОГЕННОЕ ЗАГРЯЗНЕНИЕ БИОСФЕРЫ Таблица 9.1 Выбросы загрязняющих веществ по группам стран Континенты Северная Америка Южная Америка Европа Азия Африка Австралия и Океания СО 77,3 9,05 21,4 8,5 2,5 2,4 Количество веществ, млрд т в год N O x 11,3 1,2 7,7 3,3 0,75 0,7 С Н п т 9,05 1,1 2,6 1,3 0,3 0,3 so x 18,1 1,8 21,6 7,5 1,6 2,1 Взвешенные вещества 5,9 1,2 6,7 4,3 0,4 0,35 о 20 40 60 80 100 120 140 160 180 млнт Рис. 9.2. Выбросы в атмосферу (млн т/г.) оксидов углерода, серы, азота и взвешенных частиц в 1970—1990 гг. поданным ОЭСР — Организация экономического сотрудничества и развития ЮНЕП (UNEP) — Программа ООН по проблемам окружающей среды (United Nations Envi ronmental Program) 9 . 1 . Антропогенное воздействие на биосферу 3 77 различные глобальные (общепланетарные) эффекты, такие, как парниковый эффект и разрушение озонового слоя загрязнение лито- и гидросферы как результат процессов естественного самоочищения атмосферы. 9 . 1 . 1 . 1 . Загрязнение парниковыми газами К настоящему времени деятельность человека значительно влияет на состав воздуха планеты и приводит прежде всего к созданию парникового эффекта, тек увеличению содержания в нем парниковых газов. Эти газы, будучи прозрачными для коротковолновых солнечных лучей, плохо пропускают длинноволновые излучения, уходящие обратно в космическое пространство. В результате нижний слой атмосферы и поверхность Земли нагреваются. Рост средней температуры за последние полтора века показан на рис. 9.3. 1840 1860 1880 1900 1920 1940 1960 1980 2000 Годы Рис. 9.3. Динамика изменения средней глобальной температуры у поверхности Земли за 1860—1998 гг. поданным Британского метеорологического общества. Столбиками показана средняя ежегодная температура воздуха у поверхности Земли в соответствующем году, а кривой — температура, усредненная по пятилетиям 3 7 8 Глава 9. АНТРОПОГЕННОЕ ЗАГРЯЗНЕНИЕ БИОСФЕРЫ Основной примесный газ, создающий парниковый эффект, — диоксид углерода (С 2 ), содержание которого за предыдущие 150 лет заметно изменилось (риса Причинами роста концентрации Св атмосфере являются выброс диоксида углерода промышленными предприятиями, работающими на углеводородном сырье (топливе, а также снижение интенсивности его поглощения биотой наземных экосистем, прежде всего лесами (фотосинтез. Другим газом, создающим парниковый эффектна планете, является метан. Рост его концентрации в воздухе подтвержден экспериментально путем анализа пузырьков газа в полярных льдах (рис. 9.4, б Основная природная причина образования метана — деятельность особых бактерий, разлагающих в анаэробных условиях (без доступа кислорода) углеводы. Это происходит прежде всего на болотах ив пищеварительном тракте животных. Метан образуется в кучах компоста, на свалках, рисовых полях (везде, где вода и грязь изолируют остатки растений от доступа воздуха, а также при добыче ископаемого топлива. Метан в основном окисляется в тропосфере, однако небольшая его часть все-таки достигает стратосферы, где он положительно влияет на природные процессы, ибо взаимодействует с атомарным хлором (виновником разрушения озонового слоя СН 4 + С СН 3 + НС 1900 1950 Годы а) 1800 1900 Годы б) Рис. 9.4. Изменение концентрации диоксида углерода в атмосфере (аи метана в полярных ледниковых пузырьках по годам образования льда (б) 9 . 1 . Антропогенное воздействие на биосферу 3 7 9 Помимо диоксида углерода и метана к парниковым газам относятся хлорфторуглероды (фреоны) и их заменители, гемо- оксид азота и гексафторид серы (табл. В целом наличие такого явления, как парниковый эффект, для биосферы полезно. Полное отсутствие этих газов в атмосфере привело бык снижению температуры у поверхности Земли примерно на 30—33 Си она, как и Луна, была бы бесплодна, сильно нагреваясь днем и переохлаждаясь ночью. В тоже время, имей Земля атмосферу Венеры (более чем на 95% состоящую из С 2 ), парниковый эффект привел бык такому сильному перегреву, что жизнь также была бы невозможна. Изменения концентрации парниковых газов и температуры у земной поверхности (и даже весьма значительные, например, в ледниковые периоды) уже происходили на нашей планете (рис. 9.5). Так, вследствие вулканической деятельности и крупных лесных пожаров резко увеличивалась концентрация С 2 , что приводило, и не раз, к природным экологическим кризисами катастрофам. Современное потепление как следствие парникового эффекта — проблема не новая. Еще в 1827 г. французским уче- 6000 2000 2000 дон. э. дон. э. н . э . Рис. 9.5. Колебания средней температуры на нашей планете за последние 10 тыс. лет 1 — конец ледникового периода 2 — малый ледниковый период 3 — средневековый теплый период за 0° принята современная температура у поверхности Земли 1 Парниковый эффект также создается парами воды, однако их содержание в атмосфере определяется прежде всего процессами общепланетарного круговорота воды. Современным человеком эти процессы немо гут регулироваться, поэтому в рассматриваемой проблеме пары воды даже не упоминаются. 3 8 0 Глава 9. АНТРОПОГЕННОЕ ЗАГРЯЗНЕНИЕ БИОСФЕРЫ ным Ж. Фурье было высказано предположение, что атмосфера влияет на температуру поверхности Земли по-разному, пропуская излучения с разной длиной волны. В конце XIX в. шведский ученый Аррениус пришел к выводу, что следствием увеличения выброса предприятиями диоксида углерода в период промышленной революции будет изменение его концентрации в атмосфере и рост приземной температуры. В отличие от случавшегося на Земле ранее современная ситуация уникальна особо быстрым нарастанием негативных процессов — все может произойти за какие-то 100—200 лет. Таблица 9.2 Основные парниковые газы и их влияние на глобальное потепление (по материалам конференции в Киото, 1997) Газ Диоксид углерода ( С 0 2 ) Метан (СН 4 ) Гемиоксид азота ( N 2 0 ) Основные источники Сжигание ископаемого топлива ( 7 7 % ) ; вырубка лесов ( 2 3 % ) Рисовые плантации утечки при добыче и транспортировке ископаемых видов топлива жизнедеятельность животных гниение на свалках Производство удобрений сжигание ископаемого топлива сельскохозяйственное возделывание земли Доля в сумме парниковых газов наг Время пребывания, лет Различное, в основном около 100 9 — 1 5 120 Потенциал глобального потепления' 1 21 310 9 . 1 . Антропогенное воздействие на биосфер 3 8 1 Окончание таблицы 9.2 Газ Хлорфто- руглероды (ХФУ или фреоны) и родственные газы Хлор- фторуглево- дороды (ХФУВ)*** Гексафто- рид серы (SF 6 )*** Основные источники Использование в качестве хладагентов, растворителей, вспенива- телей, основы аэрозолей Использование в качестве заменителей ХФУ (фреонов) Производство электроники и изоляционных материалов Доля в сумме парниковых газов наг Время пребывания, лет 2600— 50 000 1,5—264 наиболее характерный 14,6) 3200 Потенциал глобального потепления' 3800 и более 140— 11 700 наиболее характерный 1300) 23 900 Потенциал глобального потепления (Global warming potential) характеризует разогревающее воздействие молекулы парникового газа относительно молекулы диоксида углерода. Эти оценки потенциалов использовались для расчетов перед подписанием Киотского протокола. ** Со времени подписания Монреальского соглашения эти газы быстро заменяются на ХФУВ, но, попав в атмосферу ранее, они будут присутствовать в ней еще долго. * Выбросы этих газов пока невелики, но их объемы постоянно возрастают. Количество Св атмосфере при современных темпах потребления человеком ископаемого топлива удваивается каждые 23 года, что может привести к потеплению климата уже кг. на 1 Си к концу начавшегося столетия — на 2 С с учетом фактора неопределенности — на 1—3,5 С. Из-за инерционности глобальных процессов потепление продолжится еще несколько десятилетий даже при стабилизации содержания парниковых газов в атмосфере. На основании расчетов, проведенных с использованием климатических моделей, сделан вывод, что если не принять 3 8 2 Глава 9. АНТРОПОГЕННОЕ ЗАГРЯЗНЕНИЕ БИОСФЕРЫ меры по прекращению выбросов парниковых газов, то уровень моря на Земле поднимется примерно на 200 мм кг. и на 600—1000 мм к концу столетия. Это произойдет в результате увеличения объема воды из-за нагрева и таяния снегов. Повышение уровня моря на 300—500 мм вызовет серьезные проблемы в странах, расположенных в низменных районах, ив ряде крупных городов, таких, как Амстердам, Венеция, Рио-де-Жанейро, Санкт-Петербург. Дальнейший подъем уровня моря (нам выше современного) затронет человеческое сообщество значительно сильнее море затопит арабские страны, зальет около 15% площади Египта, до 4% урожайной земли Бангладеш, засолит пресноводные прибрежные акватории и загрязнит воду в системах водоснабжения у берегов. Таяние вечной мерзлоты может привести к разрушению всего, что создано человеком на ее поверхности. Увеличатся интенсивность и частота экстремальных явлений природы — ураганов,засух. По прогнозам ученых, общее потепление во много раз превысит адаптационные способности многих природных сообществ. Парниковый эффект может привести к быстрой гибели лесов и отдельных видов животных, смещению географических зон — к сокращению территорий, пригодных для жизни растений, животных и людей. По некоторым оценкам, до трети всех наземных экосистем могут начать меняться и переходить в другой тип например, леса — в степи, тундры — в леса и т. п. Одновременно со всплеском гибели привычной человеку биоты будут возникать новые виды, для которых подобные условия станут благоприятными. В итоге Природе гибель не грозит, проблема в том, сможет ли Человек выжить в новых условиях, а если сможет, то какой ценой Киотский протокол Проведенный в 1957 г. Международный геофизический год позволил международному научному сообществу создать широкую сеть станций по наблюдению за окружающей средой — основу для понимания планетарных процессов и влияния на них антропогенной деятельности. Исследования сразу же выявили непрерывное повышение содержания Св атмосфере. В итоге уже в 1970 г. в отчете Генерального секретаря ООН упоминается о возможности катастроф, связанных с потеплением. Обеспокоенность мирового сообщества данной проблемой привела к разработке и принятию в 1992 г. в Рио-де-Жанейро Международной Рамочной Конвенции ООН по изменению кли- 9 . 1 . Антропогенное воздействие на биосферу 3 8 3 мата (см. разд. 10.7.3). В декабре 1997 г. в Киото (Япония) на Конференции сторон этой конвенции был подписан протокол к Конвенции, установивший для промышленно развитых госу дарств-участников четкие лимиты (количественные обязательства) по сокращению выбросов С 2 относительно базового 1990 г. Цель соглашения в Киото — добиться совокупного сокращения к 2008—2012 гг. соответствующих выбросов по крайней мерена, для чего члены Европейского союза и Швейцария должны в оговоренные сроки снизить выбросы на своей территории на 8%, США — на 7%, Япония — на 6% в год. Обязательства на последующие периоды времени Стороны Конференции договорились обсудить не позднее 2005 г. Киотский протокол предусматривает реализацию ряда совместных программ, в частности создание уникального механизма торговли квотами, заключающегося в том, что Стороны протокола могут перераспределять между собой (например, перепродавать) разрешенные им в течение определенного срока объемы выбросов. В России выбросы парниковых газов в конце х годов прошлого века не превышали допустимого уровня и снижения не требовалось, в конце 1998 г. общий выброс в атмосферу составил всего 70% от уровня базового 1990 г. Прогноз, выполненный по инициативе Всемирного банка, показал, что кг. выброс этих газов составит 96% от базового, а при внедрении энергосберегающих технологий — только 92%. Экономический кризис и спад производства в России в конце XX в. позволяет ей иметь неиспользованные квоты на выброс диоксида углерода примерно в количестве 250 млн т/г. Кроме того, в России в настоящее время существует 119,2 млн газе мель, покрытых лесом, а, как известно, 1 га леса связывает 1,5 т углерода в год. Следовательно, только за счет лесопоса- 1 Ход реализации Рамочной Конвенции ООН Об изменении климата обсуждается на ежегодно созываемых международных конференциях. Соответствующие заседания прошли в Берлине (1995), Женеве (1996), Киото (1997), Буэнос-Айресе (1998), Бонне (1999), Гааге (2000); заседание в Гааге было прервано из-за серьезных противоречий между участниками, Найроби (2001). 2 Квота (от лат quota) — часть, приходящаяся на каждого. 3 Термин углерод широко используется как синоним диоксида углерода в международных дискуссиях по глобальной климатической проблеме, при этом имеется ввиду количество Св пересчете на углерод (44 т СО, эквивалентны 12 т углерода. 3 8 4 Глава 9. АНТРОПОГЕННОЕ ЗАГРЯЗНЕНИЕ БИОСФЕРЫ док в России за год может быть связано до 178,8 млн т углерода. Россия пока не ратифицировала Киотский протокол, между тем участие в решении глобальной климатической проблемы нашей стране чрезвычайно выгодно, ибо в Киото заточку отсчета был взят 1990 г, когда выбросы России были максимальны. Поэтому участие в общем деле не только не потребует денежных затратно будет прибыльным. Дело в том, что по расчетам затраты на выполнение Киотских обязательств на национальном уровне для большинства стран составляют 20—60 долл. США за тонну С 0 2 (или 80—200 долл. США в пересчете на 1 т углерода. Таким образом, даже по самым пессимистическим прогнозам, торговля излишками квот на выброс парниковых газов может давать около 10 долл. США за тонну. В сложившейся ситуации Россия претендует на ведущую роль на формирующемся международном рынке углерода. Кроме того, свободный доступ к международным программами фондам может дать возможность в значительной мере решить отечественные проблемы энергоэффективности, энергоснабжения и адаптации к новым климатическим условиям за счет международных средств, причем не взятых в долга фактически безвозмездных. По оценкам UNDP, всего через несколько десятилетий изменения климата могут принести странам бывшего СССР годовой ущерб свыше 20 млрд долл. США, в том числе, по расчетам Всемирного фонда охраны дикой природы (WWF), ущерб России составит 5—10 млрд/г. При этом ущерб США а также стран Европейского Союза) будет почтив раз больше ущерба России. Тем не менее следует четко понимать, что для нашей страны грядущие изменения климата — это не только и не столько мягкое и постепенное потепление. Цена этого явления заключается также и во вторичных негативных эффектах, сила которых намного превысит приятные нам последствия. В случае правильности прогнозов от потепления легче станет только энергетике России, а сельское хозяйство из-за резких заморозков и оттепелей может проиграть больше, чем выиграть от увеличения средней температуры. Вторичными эффектами будут повышение смертности вследствие резких скачков температуры, увеличение лесных пожаров, таяние вечной мерзлоты, деградация экосистем, сокращение запасов 9 . 1 . Антропогенное воздействие на биосферу 3 8 5 пресной воды, новые для нас болезни, а также непредсказуемая пока иммиграция в Россию из стран с катастрофическими изменениями климата и многое другое, трудно прогнозируемое. Одна из причин современных бурных политических дебатов по проблеме парникового эффекта — неравномерный вклад государств (особенно развитых, с одной стороны, и развивающихся — с другой) в это общее дело (рис. 9.6). В развитых странах выбросы соответствующих газов, приходящиеся надушу населения, в среднем враз больше, чем в странах третьего мира (особенно Азии и Африки. Да и развитые страны поэтому показателю неодинаковы — удельные выбросы в Европе и Японии составляют только половину от показателей США, Канады или Австралии. Поэтому действительно трудно и даже бессмысленно требовать от развивающихся стран контролировать и ограничивать их выбросы в атмосферу до того, как развитые страны не займутся всерьез собственным самоограничением. |