Геоэкология. Геоэкология Голубев учебник. Учебник для студентов высших учебных заве дений. М. Издво геос, 1999. 338 с
 Скачать 2.02 Mb.
|
|
Рис. 12. Потенциальная чувствительность экосистем суши к ки- слотным осадкам б) Атмосферные осадки начинают подкислять почвы, но про- цесс замедлен, потому что почвы содержат основные катионы, играющие буферную роль в снижении кислотности. в) Однако, как только буферная способность почв израсходова- на, рН почв резко снижается. г) При пороговой величине рН равной 4,2 алюминий начинает вымываться из почвы, попадает в гидрографическую сеть, накап- ливаясь в воде озер. д) Проявляются неблагоприятные последствия, такие как ги- бель рыбы или ущерб лесу. Почвы с низкой первоначальной буферной способностью, по- лучающие к тому же значительное количество кислотных осад- ков, быстрее асидифицируются и отдают алюминий по сравне- нию с почвами, отличающимися высокой буферной способно- стью и (или) получающими меньше кислотных выпадений. Вос- становление буферной способности почв происходит благодаря выветриванию горных пород, содержащих основные ионы, ней- трализующие кислотность. Но в районах со значительными ки- слотными осадками скорость выветривания не поспевает за ско- ростью асидификации. Лесные почвы Центральной и Западной Европы (Германия, Польша, Чешская Республика, Словакия, Нидерланды, Бельгия, Англия и др.) отличались высокой потенциальной способностью противостоять асидификации. Однако они подвергались воздей- ствию кислотных осадков с начала промышленной революции, то есть в течение 200 лет, потеряли буферную способность и пред- расположены к дальнейшей асидификации. Экосистемы, расположенные на кристаллических щитах, отли- чаются повышенной кислотной реакцией и низкой буферностью. Почвы Скандинавии, имеющие низкую буферную способность, асидифицировались раньше почв Центральной Европы, несмотря на меньшую кислотную нагрузку. При относительно небольшом уровне загрязнения воздуха вы- сокие и сверхвысокие трубы тепловых электростанций и про- мышленных предприятий способствуют дисперсии поллютантов и снижению концентрации загрязняющих веществ вблизи источ- ника выбросов. Однако они не решают проблему при большой плотности источников загрязнения. К тому же высокие трубы способствуют разносу кислотных осадков на большие расстояния. Таким образом проблема из локальной превратилась в региональ- ную, требующую междунароного сотрудничества. Поскольку главный антропогенный источник кислотных осад- ков – тепловая энергетика, то основной путь контроля кислотных осадков – снижение эмиссии оксидов серы и азота посредством таких технологических приемов как использование менее загряз- няющего топлива благодаря промывке измельченного угля перед его сжиганием, понижение температуры сжигания угля, извлече- ние серы из отходящих газов и т.п. Однако все эти приемы повы- шают стоимость производимой энергии. Другой, принципиально иной путь – экономия в использовании энергии. Поскольку кислотные осадки переносятся на значительные рас- стояния, возникает необходимость в международном сотрудниче- стве в этой области. С этой целью в 1979 г. заключена европей- ская (с участием США и Канады) Конвенция по трансграничному переносу загрязнений воздуха, к которой впоследствии добавился ряд протоколов по сокращению эмиссий оксидов серы и азота. В процессе выполнения Конвенции достигнуты значительные успе- хи в снижении асидификации. В большей степени успехи отно- сятся к соединениям серы, в меньшей – к соединениям азота. V.5. Локальное загрязнение воздуха Выше уже говорилось, что геоэкологические проблемы могут иметь или глобальный, или универсальный характер. Первые ох- ватывают всю Землю или, по крайней мере, имеют размеры, со- измеримые с океанами или континентами. Вторые многократно повторяются во многих точках или небольших территориях мира. Загрязнение воздуха – пример проблемы универсальной, встре- чающейся как чрезвычайно серьезная локальная проблема во многих местах мира. Фоновое загрязнение воздуха охватывает площади, соизмери- мые с площадью континентов или всего мира. Оно связано с пол- лютантами, отличающимися относительно продолжительным временем жизни в атмосфере. К ним относятся парниковые газы, оксиды азота и серы и некоторые другие вещества. Рост их кон- центрации в атмосфере свидетельствует о том, что естественный экологический баланс нарушен и природная поглотительная ем- кость атмосферы исчерпана. На фоновое загрязнение воздуха наложены крупные пятна ло- кального загрязнения. Это в основном проблема больших городов и крупных промышленных предприятий и узлов. Она возникла как одна из первых экологических проблем в промышленно раз- витых странах, где достигла своего пика приблизительно в 1960-х гг. С тех пор благодаря осуществляемым целенаправленным стратегиям качество воздуха в городах Западной Европы, Север- ной Америки и Японии в целом улучшилось. Практически во всех больших городах развивающихся стран качество воздуха весьма низкое и продолжает ухудшаться. Это одна из важнейших проблем, влияющая на здоровье людей и со- стояние городских и пригородных экосистем. Приблизительные расчеты, например, показывают, что вдыхание вредных веществ за сутки пребывания человека в воздухе Мехико, одного из самых крупных городов мира, эквивалентно выкуриванию двух пачек сигарет. В России очень высокое загрязнение атмосферного воздуха (пре-вышение допустимого уровня в 10 и более раз) в 1997 г. на- блюдалось в 66 городах, а превышение допустимых концентра- ций по одной или нескольким примесям отмечалось в 187 горо- дах, где проживает 65,4 млн чел. Уровень загрязнения воздуха в целом снизился вследствие сокращения промышленного произ- водства, но в ряде городов средние концентрации различных примесей возросли вследствие неритмичности работы предпри- ятий и залповых сбросов загрязнений, а также роста числа част- ных автомобилей. Основными источниками загрязнения воздуха являются тепло- энергетика, черная и цветная металлургия, химическая промыш- ленность, транспорт, нефте- и газопереработка. В 150 городах России объем выбросов транспорта превышал объем выбросов промышленных предприятий. В Москве выбросы от работы транспорта составляли в 1993–1997 гг. 70–80% общего объема выбросов. Каждый индустриальный источник загрязнения выделяет в воздух десятки тысяч веществ. Из них основные это пыль, зола, оксиды серы, азота, углерода, соединения тяжелых металлов, уг- леводороды, озон, органические вещества и др. Вот как они рас- пределяются по некоторым основным группам предприятий- загрязнителей: • Теплоэнергетика: оксиды углерода, серы и азота, пыль, метал- лы. • Транспорт: оксиды углерода и азота, углеводороды, тяжелые металлы. • Черная металлургия: пыль, диоксид серы, фтористые газы, ме- таллы. • Нефтепереработка: углеводороды, сероводород, дурнопахну- щие газы. • Производство цемента: пыль. Последствия локального загрязнения воздуха столь же много- образны, как и загрязнители. По статистике, собранной в США, в городах с высоким загрязнением воздуха заболеваемость выше чем в сельской местности на 15–17%. Есть все основания пола- гать, что этот показатель для ряда городов России еще хуже. В экосистемах городов и прилегающих территорий накапливаются вредные вещества (например, тяжелые металлы), а раститель- ность трансформирована или угнетена. Радиус зоны вредных воз- действий достигает нескольких десятков километров. Например, вокруг Норильска растительность погибла или чрезвычайно сильно трансформирована на расстоянии до 100 км от города. Подобная ситуация характерна и для центров цветной металлур- гии Кольского полуострова. Выбросы загрязнителей в атмосферу в России, приходящиеся на единицу валового национального продукта, превышают соот- ветствующие показатели западных стран. Это указывает на уста- ревшие технологии, изношенное оборудование и низкую эффек- тивность очистных установок, если они вообще существуют и действуют. Регулярный государственный учет выбросов загрязняющих веществ, оказывающих вредное воздействие на здоровье человека и окружающую среду, в атмосферный воздух ведется на 18000 предприятий России (по состоянию на 1993 г.). Кроме того, Госу- дарственная служба наблюдений за загрязнением окружающей среды Роскомгидромета измеряла концентрации вредных веществ в воздухе почти всех городов России с населением более 100 тыс. жителей (в 334 городах). Основными направлениями защиты воздушного бассейна явля- ются: а) Санитарно-технические мероприятия (строительство сверх- высоких труб, установка газопылеочистного оборудования, гер- метизация производственных процессов и др.). Основная масса очищаемых и улавливаемых веществ – твердые частицы. В Рос- сии во многих “грязных” отраслях (энергетика, черная и цветная металлургия, химия и пр.) улавливается до 90% пылевых частиц, но уровень очистки от газообразных веществ пока не превышает 30%. б) Технологические мероприятия (внедрение малоотходных или безотходных технологий, соответствующая подготовка сы- рья, замена сухих технологических способов на мокрые и т.п.); в) Пространственно-планировочные мероприятия (выделение санитарно-защитных зон, планировка городской и промышленной застройки в соответствии с преобладающими ветрами, озеленение и пр.); г) Контрольно-запретительные мероприятия (введение величин предельно допустимых концентраций веществ и предельно до- пустимых выбросов в окружающую среду, запрещение производ- ства отдельных веществ, временная приостановка загрязняющей деятельности, мониторинг загрязнения воздуха). В ряде стран, а также во Всемирной Организации Здравоохра- нения (ВОЗ) утверждены стандарты, ограничивающие допусти- мые уровни загрязнения. В России основным показателем, ис- пользуемым для контроля качества воздуха, являются предельно допустимые концентрации вредных веществ в воздухе (ПДК). Используются два типа ПДК: в воздухе рабочей зоны (ПДК р.з. ) и в атмосферном воздухе населенного пункта (ПДК а.в. ). ПДК а.в. – это максимальная концентрация примеси в атмосфере, отнесенная к определенному времени осреднения, которая при периодическом воздействии или на протяжении всей жизни человека не оказыва- ет на него вредного влияния, включая отдаленные последствия, и не оказывает вредного влияния на окружающую среду в целом. Во многих случаях содержание вредных веществ на выходе из трубы превышает величины ПДК, но вследствие турбулентности атмосферы происходит перемешивание и рассеивание примесей, и их содержание на уровне земли может оказаться ниже ПДК. Поэтому для управления качеством воздуха используется норма- тив, называемый предельно допустимым выбросом (ПДВ) и уста- навливаемый с таким расчетом, чтобы концентрация загрязняю- щих веществ в приземном слое воздуха не превышала нормати- вов качества воздуха для населения, а также для растений и жи- вотных. Если концентрация примесей все же больше, чем ПДК, и снижение ПДВ до требуемых значений не может быть обеспечено по объективным (например, технологическим) причинам, то ус- танавливаются временно согласованные выбросы (ВСВ). Повседневное управление качеством воздуха – дорогой про- цесс. Можно сказать, что текущие затраты значительно превы- шают капитальные вложения в охрану атмосферы (иногда до со- отношения 4:1). Принципиальный путь – внедрение малоотход- ных технологий, иными словами, предотвращение загрязнений, а не очистка от них на заключительном этапе производства. * * * Несмотря на весьма сложные геоэкологические процессы, свя- занные с деятельностью человека в атмосфере, все же не будет ошибкой сказать, что из систем четырех основных геосфер (атмо- сферы, гидросферы, литосферы и биосферы) простейшая – это атмосфера. Под сложностью (или, наоборот, простотой) понима- ется количество связей и компонентов, присущее данной геосфе- ре. В атмосфере развились кризисные ситуации общемирового значения возможно, потому, что чувствительность атмосферы к антропогенным воздействиям наивысшая вследствие ее относи- тельной простоты. Если это так, то еще более сложные, но пока еще менее сформированные геоэкологические проблемы можно ожидать в более сложных геосферах, в особенности в биосфере. VI. Гидросфера. Влияние деятельности человека VI.I. Основные особенности гидросферы 4 Гидросфера – водная оболочка Земли, представляющая совокупность всех водных объектов планеты: океанов, морей, рек, озер, болот, ледников, снежного покрова, подземных вод. В состав гидросферы также входит вода в атмосфере, почвенная влага и вода живых организмов. В гидросфере представлены основные фазовые состояния воды – жидкое, твердое и газооб- разное. Это сплошная оболочка Земли, хотя иногда и невидимая, в случае когда она представлена только водяным паром или почвенной влагой. Даже в сверхаридных пустынях суммарный запас воды в атмо- сфере и почве (даже без учета подземных вод) составляет 10 4 г/см 2 , то есть 100000 мм. Суммарные запасы воды всех видов в различных точках мира очень сильно различаются: например, различие между океаном и пустыней составляет по крайней мере 10 3 раз. “Невидимость” гидросферы в отдельных ее участках также со- всем не означает, что ее роль пренебрежимо мала. Наоборот, во- дяной пар в атмосфере – необходимый участник важнейшего геоэкологического процесса: создания первичной биологической продукции, или фотосинтеза. А почвенная влага – практически обязательный компонент процесса создания растительной био- массы Земли. Кроме того, как водяной пар, так и почвенная влага играют важнейшую роль в глобальном гидрологическом цикле. Пространственно гидросфера фактически совпадает с экосфе- рой. Гидросфера проникает во все другие геосферы и играет важ- 4 Для более углубленного изучения вопросов гидрологии рекомендуется учебник В.Н.Михайлова и А.Д.Добровольского "Общая гидрология". М.: изд-во "Высшая шко- ла", 1991. 368 с. нейшую роль в глобальных процессах обмена веществом и энер- гией. Вода в природе принимает участие, часто решающее, во многих разнообразных природных процессах и, в соответствии с особенностями того или иного процесса, отличается весьма раз- личной подвижностью. Вода гидросферы играет важнейшую роль в глобальном цикле вещества, осуществляя эрозию и денудацию горных пород, пере- нос и отложение продуктов их разрушения. Вода обладает чрезвычайно высокой растворяющей способно- стью. Дистиллированной воды в природе не бывает вовсе, и, на- оборот, природные растворы разнообразнейшего содержания и различной концентрации встречаются всюду в экосфере и играют решающую роль в глобальных геологических и биогеохимиче- ских круговоротах веществ. По словам В.И.Вернадского, “... нет природного тела, которое могло бы сравниться с ней по влиянию на ход основных, самых грандиозных геологических процессов”. Физические свойства воды весьма специфичны: большие вели- чины скрытой удельной теплоты фазовых переходов (испарения, конденсации, таяния, сублимации), значительная теплоемкость, малая молекулярная теплопроводность, нетривиальная зависи- мость плотности от температуры и др. Эти специфические свой- ства оказывают серьезное влияние на те многие природные про- цессы, в которых участвует вода. В особенности значительную роль в глобальных процессах играет очень высокая величина скрытой удельной теплоты испарения-конденсации, потому что 84% солнечной радиации, поглощаемой поверхностью Земли, расходуется на испарение. Это, в свою очередь, обеспечивает вла- гоперенос и, в конечном итоге, круговорот воды, или гидрологи- ческий цикл. Тем самым, энергия Солнца как бы запускает и под- держивает глобальный круговорот воды. Другое очень важное физическое свойство воды это ее высокая теплоемкость, определяющая многие природные процессы. На- пример, огромный теплозапас океанов оказывает решающее влияние на геоэкологическое состояние Земли. Океаны и моря покрывают 71% общей площади Земли, а вме- сте с водными объектами суши (ледники, озера, водохранилища, болота и др.) общая покрытость Земли водой составляет почти 3/4. Это обстоятельство, вследствие высокой теплоемкости воды и значительной энергии ее фазовых переходов, имеет огромное значение для теплового и водного режима нашей планеты, а по- тому является решающим в формировании почв и растительности и, следовательно, всего облика Земли. В Мировом океане содержится 96,4% общего объема гидро- сферы. Эта огромная масса состоит из двух слоев: верхнего, от- носительно теплого, и основного, холодного, с температурами 4°С и ниже. Океан играет важнейшую и весьма неоднозначную роль терморегулятора экосферы. На суше основную массу воды содержат ледники (1,86% от общих запасов и 70,3% от запасов пресных вод), существенно влияющие, благодаря их высокой отражательной способности (альбедо), на формирование глобального теплового баланса атмо- сферы и поверхности Земли. Общий объем подземных вод со- ставляет 1,68% гидросферы. Из них примерно половина – пре- сные воды. Из весьма большого общего объема вод гидросферы (1338 млн. куб. км), пресных вод – всего лишь 2,64%, что составляет слой воды на поверхность суши мира равный приблизительно 240000 мм. Мировой океан, ледники и подземные воды, то есть водные объекты замедленного водообмена, содержат 99,94% всей воды гидросферы. Реки – важнейший компонент гидросферы, отли- чающийся высокой скоростью водообмена. Суммарный объем воды в реках мира всего лишь 0,0002% от общих запасов воды и 0,005% от запасов пресных вод. Если распределить речную влагу, единовременно находящуюся в руслах рек мира, равномерно по всей неледниковой поверхности суши, то средний слой составит лишь 13 мм. Однако роль именно этой, "быстрой" влаги в функ- ционировании экосферы и отдельных ее частей столь велика, что ее невозможно переоценить. Кроме того, именно эта вода – один из основных природных ресурсов, используемых человечеством, отличающийся к тому же высокой скоростью возобновления. Важнейшим процессом в экосфере является глобальный круго- ворот воды, или, по другой терминологии, гидрологический цикл. Он служит основой единства географической оболочки, играя важнейшую роль во всемирном обмене веществом и энергией. Главным образом, под воздействием солнечной энергии вода ис- паряется с поверхности океанов и суши. Испарившаяся влага включается в процесс атмосферного влагопереноса. При этом часть атмосферного потока влаги выпадает в виде атмосферных осадков, снова испаряется, снова выпадает в виде осадков, и т.д. Так осуществляются влагообороты в пределах материков и океа- нов. Глобальный круговорот воды состоит из океанического и мате- рикового звеньев, взаимосвязанных обменом водяного пара меж- ду океаном и сушей, и стоком с суши в океан. Преобладающая часть выпадающих на сушу осадков испаряется, остальное стека- ет в океан, главным образом, в виде речного стока, а также стока подземных вод и отрыва ("отёла") ледников в море. На почти третьей части неледниковой поверхности суши речные воды не имеют стока в океан и заканчиваются в бессточных впадинах, часто заполненных озерами. Схема глобального круговорота во- ды приводится на рис. 13, а обозначения на стр. 159. Состояние гидросферы Земли, а также и любой ее части, харак- теризуется ее водным балансом. С достаточной для большинства задач точностью можно принять, что общая масса гидросферы остается постоянной по крайней мере в течение кайнозоя, то есть последних десятков миллионов лет. Изменения гидрологического состояния Земли связаны не с изменениями общего мирового объема воды, а с пространственным перераспределением воды, в особенности с изменениями соотношения запасов воды в океанах и ледниковых покровах. При большем развитии оледенения на Земле вода гидросферы в большей степени концентрируется в ледниках, и уровень Мирового океана понижается. И наоборот, высокий уровень океана соответствует относительно малому объ- ему ледниковых покровов. Проявления этого соотношения на- блюдаются в настоящее время, как это уже обсуждалось в связи с последствиями изменения климата. Уравнения водного баланса для океана и суши со стоком в оке- ан и областей внутреннего стока (бессточных) выглядят следую- щим образом: Для Мирового океана: P O + R L – E O = ∆W O Для областей со стоком в океан: P L – E L – R L = ∆W L Для областей с внутренним стоком: P С – E С = ∆W С Здесь P – осадки, E – испарение, R – сток, ∆W – изменения запаса влаги в соответствующей области ( O – в Мировом океане, L – в областях со стоком в Мировой океан, С – в областях с внут- ренним стоком). Сложим почленно все три уравнения, одновременно объединяя однородные компоненты баланса: (P O + P L + P С ) - (E O + E L + E С ) - (R L - R L ) = ∆W O + ∆W L + ∆W С Для Земли в целом ( M = O + L + С ) получим: P M - E M = ∆W M Поскольку, в соответствии со сказанным выше, объем воды на Земле практически постоянен ( ∆W M = 0), то за многолетний пе- риод общемировые величины осадков и испарения должны быть равны: Р M = Е M |