Геоэкология. Геоэкология Голубев учебник. Учебник для студентов высших учебных заве дений. М. Издво геос, 1999. 338 с
 Скачать 2.02 Mb.
|
|
II.2. Земля как планета. Геоэкологические следствия Положение Земли в Солнечной системе, ее размеры, форма, особенности движений предопределяют несколько основных свойств планеты, в том числе особенности, важные с точки зре- ния геоэкологии: а) Земля – планета относительно небольшая. Площадь ее по- верхности составляет 510 млн. км 2 , из них суша – 149 млн км 2 , а свободная от ледников суша – 133 млн. км 2 . Это – все, чем располагает человечество не только сейчас, но и в будущем, для своего дальнейшего роста и развития. Ограниченность про- дальнейшего роста и развития. Ограниченность пространства и ресурсов, заключенных в этом пространстве, при возрастающей численности населения мира и росте его потребностей, приводят к неизбежности возникновения, рано или поздно, глобального геоэкологического кризиса. б) Главный источник энергии, необходимой для функциониро- вания экосферы, – это Солнце. Позиция Земли по отношению к Солнцу оптимальна по сравнению с другими планетами: наша планета достаточно близка к Солнцу, чтобы получать от него не- обходимое количество энергии, определяющей почти все основ- ные процессы в экосфере. В то же время, Земля не настолько приближена к Солнцу, чтобы получать избыточное количество энергии. в) Ось вращения Земли наклонена под углом 66°33’ к плос- кости движения Земли вокруг Солнца (плоскости эклиптики). Это обстоятельство обусловливает изменяющееся в течение года не- равномерное распределение солнечной радиации по земной по- верхности и, таким образом, смену времен года. Оно обеспечива- ет также различную продолжительность светового дня и ее внут- ригодовую изменчивость в зависимости от широты. г) Параметры движений Земли изменяются с определенной пе- риодичностью. Среди многих периодов выделяются, например, вариации средней продолжительностью 92, 40 и 21–23 тысяч лет, связанные с закономерными изменениями параметров движений Земли (эксцентриситета орбиты, наклона оси вращения планеты к плоскости орбиты, прецессии равноденствия). Это приводит к пе- риодичности изменений геоэкологической обстановки, таких как потепление или похолодание климата, повышение или понижение уровня океана, развитие или сокращение оледенения и пр. Перио- дичность различной продолжительности – отличительная особенность многих природных явлений. д) Форма Земли не соответствует в точности какой-либо гео- метрической фигуре, но для текущих задач геоэкологии она может быть аппроксимирована как шар. Отсюда вытекают два важных следствия. Во-первых, шарообразность Земли обеспечивает закономерное изменение от экватора к полюсам интенсивности солнечного из- лучения и накапливаемых за год сумм солнечной радиации. Это обстоятельство – основная причина формирования природных зон и ландшафтов Земли, то есть того ландшафтного разнообра- зия, которое столь отличает нашу планету от других. Во-вторых, из-за шарообразности Земли площадь тропической зоны существенно больше умеренной, а тем более полярной зо- ны. Если разделить Землю по тридцатиградусным полосам по широте и затем сложить образовавшиеся полосы симметрично относительно экватора, то образуются три основные зоны: тропи- ческая, умеренная и полярная. Площади этих зон заметно разли- чаются: Интервал, градусы ши- роты Зона Площадь зоны, %% 30 ° с. ш. – 30° ю. ш. Тропическая 50 30 ° – 60° с. ш. и ю. ш. Умеренная 37 60 ° – 90° с. ш. и ю.ш. Полярная 13 Столь большие различия в площади зон указывают, при прочих равных условиях, на относительно более значительную для гло- бальной экологии роль процессов в тропической зоне и наимень- шую – в полярной зоне. II.3. Энергетические и вещественные особенности экосферы Наиболее характерными особенностями любой сложной при- родной системы являются ее энергетическое и вещественное со- стояние и режим. В этой связи важнейшими факторами, опреде- ляющими режим и эволюцию экосферы, являются ее тепловой баланс и глобальные циклы вещества. II.3.1. Тепловой баланс экосферы Солнце – главный источник энергии, которая необходима для функционирования экосферы как системы. Общее количество солнечной энергии, достигающей верхней атмосферы, составляет 5,49·10 24 джоулей за год. При этом поток солнечной радиации весьма мало изменяется во времени, обеспечивая устойчивую энергетику таких основных процессов экосферы, как, например, общая циркуляция атмосферы и океана, выветривание и денуда- ция верхних горизонтов литосферы, глобальные биогеохимиче- ские циклы вещества, образование первичной биологической продукции и пр. В частности, затраты солнечной энергии на ис- парение воды с поверхности океанов и суши определяют один из основных механизмов системы – глобальный гидрологический цикл, или круговорот воды. Заметим, что другой источник энергии экосферы – поток из недр Земли к ее поверхности – в 20–30 тысяч раз меньше, чем поступление энергии от Солнца, хотя этот поток все же весьма значителен. Для сравнения укажем, что человек использует сейчас почти такое же количество энергии, как и поток из недр Земли. Это ил- люстрация того, что роль человека уже соизмерима с крупными природными процессами. Солнечную энергию, приходящую к верхней границе атмосфе- ры, постигают затем сложные преобразования 1 . Она частично: а) рассеивается в атмосфере, б) отражается от нее в мировое пространство, в) достигает поверхности Земли. В среднем для Земли почти половина солнечной радиации, приходящей на верхнюю границу атмосферы, достигает поверх- 1 Более детальные, количественные показатели теплового баланса Земли в целом, атмо- сферы и поверхности Земли можно найти в учебнике С.П.Хромова и М.А.Пет-росянца “Метеорология и климатология”. М.: Изд-во МГУ, 1994. С. 241–244. ности океанов и суши. В свою очередь, эта доля солнечной энер- гии: а) отражается от поверхности Земли в атмосферу и за ее преде- лы, б) нагревает поверхность почвы и океанов, в) расходуется на испарение воды. С точки зрения энергетического баланса, экосфера – открытая система, потому что происходит свободный обмен энергией через границы системы. Несмотря на это, приходные и расходные части энергетического бюджета экосферы в высочайшей степени сба- лансированы. Экосфера получает и теряет одинаковое количество энергии, что удерживает ее в относительно стабильном термиче- ском состоянии. Долговременные изменения теплового баланса экосферы, как естественные, так и антропогенные, весьма малы по сравнению с основными компонентами теплового баланса, но именно эти изменения определяют вековые глобальные измене- ния климата. В различных зонах поверхности Земли приток радиации не со- ответствует ее отдаче, так что радиационный баланс оказывается или положительным, или отрицательным, в полном соответствии с основными географическими закономерностями. Тепловое рав- новесие земной поверхности поддерживается межширотным об- меном энергией посредством глобальной циркуляции атмосферы, а также и океана. Антропогенные изменения теплового баланса в отдельных точках или территориях (акваториях) могут вызывать изменения в циркуляции атмосферы с соответствующими воздей- ствиями на климат. II.3.2. Глобальные циклы вещества Что касается обмена веществом, то он также происходит через границы экосферы, но интенсивность обмена по сравнению с по- токами вещества внутри системы ничтожно мала. Из космоса, сквозь атмосферу на поверхность Земли выпадает примерно 40 млн. тонн метеоритного вещества в год. Процессы обмена веще- ством внутри экосферы отличаются значительно большими раз- мерами. Например, реки мира выносят в океаны около 20 млрд. тонн наносов в год, или в две тысячи раз больше, чем привносит- ся метеоритами. Поэтому можно сказать, что с точки зрения гео- экологии, Земля и ее экосфера – это закрытые системы. В закрытой системе неизбежно возникают циркуляционные движения вещества, что и происходит на Земле. Это круговороты вещества, такие как большой (“геологический”) круговорот, объ- единяющий разрушение и снос горных пород с аккумуляцией и трансформацией продуктов разрушения, круговорот воды, био- геохимические циклы химических элементов, таких, например, как углерод, азот, фосфор, сера и др., общая циркуляция атмо- сферы, циркуляция вод океана. В сущности, эти круговороты – один большой круговорот, разделяемый нами на отдельные со- ставляющие для удобства нашего понимания глобальных процес- сов. Любой глобальный круговорот вещества состоит из запасов (резервуаров) и потоков. Как правило, суммарная величина запа- сов значительно больше, чем потоков, что обеспечивает устойчи- вость круговорота. Одна из важных количественных характери- стик – среднее время оборота вещества, вычисляемое как отно- шение запаса к потоку. Оно может определяться также для любой ветви круговорота (например, для ветви, описывающей кругово- рот углерода в наземной биоте). Все естественные глобальные круговороты вещества отлича- ются чрезвычайно высокой степенью замкнутости. Современная продукция органического вещества в биосфере составляет 100 млрд. т/год в единицах массы органического углерода. Эта вели- чина соответствует 1000 млрд. т живой массы. Время существо- вания жизни на Земле около 3,5 млрд. лет. Если принять, что средняя продуктивность живой массы за это время равна 500 млрд. т в год, то всего за время существования жизни образова- лось приблизительно 2х10 12 млрд т живого вещества. (Это всего лишь втрое меньше массы всей Земли!). Масса биосферы около 1,4х10 9 млрд. т. Таким образом, продукция биоты за время суще- ствования Земли превосходит массу биосферы на три порядка (в 1000 раз). Это значит, что все атомы углерода на Земле в среднем приблизительно 1000 раз становились частью синтезируемого ор- ганического вещества, а затем столько же раз это вещество под- вергалось деструкции. Очевидно, что глобальные потоки синтеза и деструкции органического вещества должны совпадать с точно- стью не менее трех значащих цифр (0,001). Более детальный ана- лиз показывает, что в геологическом масштабе времени баланс потоков синтеза и деструкции органического вещества Земли вы- держивается с точностью до восьми знаков за запятой! Поэтому даже малые (казалось бы, пренебрежимо малые), но устойчивые антропогенные воздействия могут приводить к суще- ственным изменениям естественных круговоротов. Отсюда выте- кает важнейшая роль деятельности человека в возникновении и усилении несбалансированности круговоротов с серьезными по- следствиями глобальных размеров. Например, мы увидим ниже, что малое, по сравнению с природными потоками, антропогенное приращение парникового эффекта в атмосфере может привести к серьезнейшим нарушениям устойчивых климатических процес- сов, влияющих, в свою очередь, на многие аспекты жизни и дея- тельности общества. Особенности глобального круговорота воды, или гидрологиче- ского цикла, и большого (“геологического”) цикла, или кругово- рота вещества, обсуждаются ниже, в разделах, посвященных гид- росфере и литосфере. Рассмотрим в упрощенном и огрубленном виде основные черты глобальных биогеохимических циклов хи- мических элементов, важнейших для состояния экосферы, – углерода, азота, фосфора и серы. Глобальный цикл углерода Вероятно, углерод является наиболее важным химическим эле- ментом экосферы, потому что: а) Почти все формы жизни состоят из соединений углерода; б) Реакции окисления и восстановления соединений углерода в экосфере обусловливают глобальное распространение и баланс не только углерода, но и кислорода, а также и многих других хими- ческих элементов; в) Способность атома углерода создавать цепи и кольца обес- печивает разнообразие органических соединений; г) Углеродсодержащие газы – углекислый газ (СО 2 ) и метан (СН 4 ) – играют определяющую роль в антропогенном парниковом эффекте. Основные экосферные резервуары углерода находятся в гидро- сфере, биосфере и атмосфере. Между ними происходит активный обмен с интенсивностью в десятки миллиардов тонн углерода в год. В этом обмене океан является главным поглотителем углеро- да, поступающего как с суши со стоком рек в результате деструк- ции органического вещества, так и из атмосферы, откуда углерод поступает вследствие дыхания всего комплекса живых существ (биоты). Важнейшие процессы в биосфере – формирование органического вещества из неорганического при участии солнечной энергии (фотосин-тез), расходование органического вещества в процессах аэробной и анаэробной жизнедеятельности биоты и деструкция органического вещества. Основной запас углерода, принимающего активное участие в биогеохимическом цикле, находится в Мировом океане, где он содержится в различных формах: в виде частиц неорганических углеродсодержащих веществ, частиц органического нераствори- мого углерода, растворенного органического углерода и живых форм. В конечном итоге подавляющая часть углерода в океане отлагается на дне, перекрывается все более молодыми отложе- ниями и таким образом выходит за пределы экосферы, сохраняясь при этом в большом цикле вещества литосферы. Основной антропогенный поток в глобальном цикле углерода образуется в результате сжигания горючих ископаемых в процес- се производства энергии. Другой поток – различные виды дест- рукции органического вещества биоты и почв, которые возника- ют при антропогенном преобразовании экосистем суши. Эти ан- тропогенные потоки относительно невелики, но они устойчиво возрастают. В чрезвычайно сбалансированном цикле углерода ан- тропогенное воздействие приводит уже сейчас к заметному уси- лению парникового эффекта с соответствующими серьезными последствиями для экосферы. Эта проблема более детально об- суждается ниже, в главе, посвященной геоэкологическим пробле- мам атмосферы. Глобальный цикл азота Азот – ключевой ингредиент жизни, поскольку этот элемент – обязательный компонент всех белковых соединений. Большие запасы соединений азота сосредоточены в литосфере. Остальные запасы представлены в виде химически малоактивного газа, составляющего 79% атмосферы. Запасы азота в биосфере и гидросфере – на три порядка меньше, чем в атмосфере. Среднее соотношение массы углерода и азота в наземной биомассе и поч- вах С:N = 160:15. Несмотря на относительно малые запасы азота в биосфере и гидросфере, это активный элемент, быстро обменивающийся ме- жду геосферами. Картина химических процессов цикла азота чрезвычайно сложна и разнообразна, потому что азот проходит сквозь воздух, воду и почву в различных химических формах и к тому же видоизменяющихся. В наземном и океаническом суб- циклах азота сосредоточено до 95% всех его потоков. Важнейший антропогенный поток в цикле азота – использо- вание азотных удобрений. После Второй мировой войны происхо- дило неуклонное увеличение их производства из азота атмосфе- ры. Однако последние два десятилетия удельное использование азотных удобрений (в кг/га) как в развитых странах, так и в стра- нах СНГ сократилось или стабилизировалось, тогда как их при- менение в развивающихся странах все еще увеличивается. При- близительно 50% азота, вносимого в агроэкосистемы, попадает в состав сельскохозяйственных растений. Из этого количества око- ло половины убирается с поля с урожаем, а другая половина оста- ется в органическом веществе почвы. Современное земледелие, таким образом, изменило общее направление потока азота: не от почвы в атмосферу, а наоборот. Рост численности населения и опережающей его потребности в белковом питании заставили че- ловека интенсифицировать азотный цикл, чтобы производить больше белка. Однако, это привело к загрязнению окружающей среды и, в частности, к интенсификации процесса эвтрофикации водоемов. Другим фактором антропогенной интенсификации потоков азота является энергетика, поскольку при сжигании угля, нефти и ее продуктов, сланцев, торфа и пр. увеличивается эмиссия в атмо- сферу аммиака и оксидов азота. В свою очередь, оксиды азота и аммиак играют решающую роль в процессах асидификации окру- жающей среды. Глобальный цикл фосфора Фосфор также один из важнейших химических элементов, по- скольку он играет огромную роль в биологических и биогеохи- мических процессах. Фосфор – необходимый компонент ДНК и фосфолипидных молекул клеточных мембран. Наряду с азотом, фосфор контролирует биологическую продуктивность наземных и морских экосистем вследствие невысокого содержания этих элементов в экосистемах. Основные резервуары фосфора – экосистемы суши, океаны и отложения наносов в водоемах. Газообразные формы фосфора практически не существуют, и поэтому в атмосфере его нет. В литосфере подавляющая часть фосфора кристаллических пород содержится в апатитах (95%). Первоначально почти весь фосфор на суше образовался вследствие выветривания апатитов. Осадоч- ные отложения вторичного характера – фосфориты, дающие около 80% всей мировой добычи фосфора. В естественных экосистемах связывание фосфора растениями находится в состоянии баланса с возвратом фосфора из растений благодаря распаду органического вещества. В растворенном виде фосфор всегда находится в динамическом равновесии с кислоро- дом (в соединениях типа Р 2 О 5 , РО 4 3 и др.). В почвах и раститель- ности среднее соотношение концентрации углерода и фосфора рав- но: С:P = 750:1. Биогеохимия фосфора весьма отлична от биогеохимии других биогенных элементов (углерода, кислорода, азота, серы), по- скольку фосфор, в отличие от других биогенов, практически не встречается в газообразной форме. Это создает однонаправлен- ный поток фосфора вниз по уклону под действием силы тяжести, главным образом в виде тонкодисперсных наносов, на поверхно- сти которых адсорбированы соединения фосфора. Таким образом происходит транспорт этого элемента реками в системы с замед- ленным водообменом (озера, водохранилища, моря и пр.), где и отлагаются наносы, относительно богатые фосфором. Противо- положного потока не существует, что создает реальную опас- ность значительного обеднения фосфором экосистем суши (в том числе и агроэкосистем) с соответствующим снижением их биоло- гической продуктивности. Антропогенный возврат фосфора из водоемов на водосборы пока невероятен и как бы относится к элементам научной фанта- стики, но не исключено, что к середине XXI века эту проблему на- до будет решать. Пока же вследствие антропогенной деятельности, приводящей к повышенной эрозии почв, смыву фосфорных удобрений и сбро- су неочищенных сточных вод интенсивность потоков фосфора в мире увеличилась. Это приводит к усилению процессов эвтрофи- кации водоемов. Общемировая величина потока фосфора в гид- росферу оценивается величиной около 20 млн. т в год. Глобальный цикл серы Сера играет важную роль в биологических процессах, по- скольку это необходимый компонент белков. Глобальный цикл серы отличается разнообразием биотических и абиотических процессов с участием различных компонентов в газообразной, жидкой и твердой фазах. С точки зрения геоэкологии, по- видимому, наиболее важны процессы обмена соединений серы между поверхностью суши и океана, с одной стороны, и атмосфе- рой – с другой. Из всех глобальных биогеохимических циклов основных био- генных элементов (С, О, N, P, S) цикл серы наиболее сильно на- рушен деятельностью человека. Важнейшее антропогенное воз- действие это эмиссия оксида серы SO 2 , возникающая благодаря сжиганию горючих ископаемых, прежде всего угля. Около 90% мировой эмиссии этого газа характерно для Северного полуша- рия. С 1860 по 1980 гг. антропогенная эмиссия SO 2 увеличилась от 2 млн. т серы в год до 70 млн. т, то есть в 35 раз! В среднем ан- тропогенный поток серы вдвое превышает естественный поток. Современный сток соединений серы по речным системам также более чем вдвое превышает его первоначальную, доиндустриаль- ную величину вследствие эрозии почв, применения удобрений, выпадений из атмосферы и пр. Антропогенное нарушение цикла серы определяет или серьез- но влияет на ряд глобальных геоэкологических проблем, таких как асидификация экосистем, состояние озона в стратосфере и тропосфере и изменение климата. * * * Таким образом, экосфера характеризуется мощным и устойчи- вым притоком энергии извне и взаимосвязанными циклами веще- ства. При этом отличительная особенность естественных балан- сов энергии и вещества – высокая степень их сбалансированно- сти. Выше мы уже приводили пример глобального баланса угле- рода, замыкающегося, в рамках геологического масштаба време- ни, с точностью 10 -8 (или 0,000001%!). В настоящее время становятся весьма заметными воздействия человека как на энергетический баланс Земли, так и на глобаль- ные циклы вещества. Медленная естественная эволюция экосфе- ры была связана также с относительно малоинтенсивным потоком биогенных элементов, резко усилившимся в антропогенных сис- темах, что приводит к повышению неустойчивости экосферы. Как правило, естественные вещественно-энергетические кру- говороты и балансы экосферы и отдельных ее частей отличаются высокой степенью замкнутости, в то время как деятельность че- ловека ведет к разомкнутости и, следовательно, к неустойчивости систем. Степень разомкнутости может быть оценена по средней скорости оборота вещества за год: (Приход) - (Расход) (Приход) Например, в целинной степи средняя скорость оборота углеро- да и других биогенов около нескольких тысяч лет. После распаш- ки степи значительное количество углерода, азота и фосфора вы- носится из системы как в виде ежегодного урожая, так и вследст- вие водной и ветровой эрозии почв, а также и из-за других при- чин антропогенного происхождения (например, пожаров). Систе- ма становится разомкнутой, со средней скоростью оборота веще- ства, превышающей естественную в сотни и тысячи раз, и, следо- вательно, неустойчивой. Нарушения замкнутости как локальных систем, так и глобальных циклов приводят к серьезным геоэколо- гическим проблемам, которые будут детально анализироваться в последующих главах. Следует подчеркнуть, что понимание циклов отдельных био- генных элементов намного превышает понимание механизма комбинаций циклов, то есть того, как эти процессы происходят на самом деле в экосфере. Основные геоэкологические проблемы в их взаимосвязи с гло- бальными биогеохимическими циклами показаны в табл. 1. Все антропогенные экосистемы, даже самые высокоурожай- ные, прекрасно возделываемые поля и хорошо ухоженные парки отличаются высокой степенью незамкнутости. С этой точки зре- ния, природно-антропогенные системы, такие как поля, сады, огороды, пастбища, лесные плантации, не говоря уже о город- ских системах, вно- |