Техногенез и устойчивость биосферы

Техногенная трансформация экосистем

Техногенные характеристики современной биосферы.

Деятельность человека как бы расширила границы биосферы в глубины земной коры, в высоты стратосферы и в космос. В то же время наметилось снижение биосферной активности и массы живого вещества. Человек создает сложные конгломераты многих подсистем, управляемых им и притом не аккумулирующих энергию и биомассу, а расходующих энергию, биомассу и кислород биосферы.

Возникновение множества подсистем и систем техносферы происходило и происходит в границах биосферы. На огромной площади природные экосистемы полностью замещены техногенными системами (табл. 10). Организованного взаимодействия между техносферой и биосферой человеку создать пока не удалось. Большие города, крупные индустриальные предприятия, животноводческие комплексы не только отчуждают и «сжимают» биосферно активную площадь планеты, но и создают опасность из-за огромного количества индустриальных и бытовых отбросов, поступающих в окружающую среду.

Таблица 10

Рост техносферы в XX веке (Т. А. Акимова, А. П. Кузьмин, В. В. Хаскин, 2001)

Понятие о техногенезе.

На протяжении всей истории общества постоянно возрастала роль антропогенного фактора: охотники и собиратели существовали около 30 тыс. лет назад, земледельцы и скотоводы — 6—8 тыс. лет, земледельцы, скотоводы и ремесленники цивилизаций древности — 3—5 тыс. лет, начало индустриальной эпохи — 0,5 тыс. лет назад. Если на заре жизни человека аккумулятивное воздействие на природу проявлялось в течение десятков тысяч лет (уничтожение крупных животных), то техника тысячекратно сократила период воздействия (мода на слоновую кость, пушнину, страусовые перья вела к быстрому истреблению животных). В хозяйственный оборот вовлекаются ресурсы, не связанные с пищевыми потребностями: минеральные и лесные. Технический прогресс шел с ускорением благодаря успехам наук, и сам способствовал развитию научных знаний.

Геологическую деятельность (совокупность геохимических и геофизических процессов) человека А. Е. Ферсман (1934) назвал техногенезом. В геохимическом аспекте техногенез включает:

• —извлечение химических элементов из среды (литосферы, атмосферы, гидросферы) и их концентрацию;
• —перегруппировку химических элементов, изменение химического состава соединений, создание новых химических веществ;
• —рассеяние вовлеченных в техногенез элементов в окружающей среде.

Рассеяние часто бывает побочным явлением. Есть и преднамеренное рассеивание: внесение удобрений, мелиорантов, орошение сточными водами, ядохимикаты.

Отрицательное последствие техногенеза заключается в загрязнении экосистем.

Процессы техногенеза можно разделить на две группы. Первая унаследована от биосферы, к ней относятся биологический круговорот, круговорот воды, рассеивание элементов при отработке месторождений, распыление веществ и др. Вторая группа находится в резком противоречии с природными условиями. Металлическое состояние Fe, Ni, Cr, V и некоторых других элементов не соответствует физико-химическим условиям земной коры. Человек уменьшает энтропию, тратит много энергии на получение и содержание элементов в свободном состоянии. Изготавливаются соединения, никогда не существовавшие в природе: полимеры, лекарства, краски, сплавы и др. В. И. Вернадский приводит такие цифры: в Античную эпоху человечество использовало 19 элементов, в XVIII в. — 28, в XIX в. — 50, в начале XX в. — 60. В настоящее время используются все 89 элементов, известных в земной коре, также искусственно получены изотопы.

С 60-х гг. XX в. геохимическая деятельность человека не уступает по мощности природным процессам. Человечество извлекает из недр и освобождает при сжигании химические элементы в равном или большем количестве, чем их потребляется растительностью при создании годовой продукции. Добыча из недр Cd превышает фитопотребление более чем в 160 раз, Hg — в 110 раз, РЬ — в 35, As, F — в 15, U — в 6, Sn — в 5, Си — в 4, Мо — в 3 раза. Не меньшее или даже большее количество редких и рассеянных элементов высвобождается при сжигании угля, в результате превышая использование в биологическом круговороте Hg — в 68 700 раз, As — в 125, Cd — в 40, Zr — в 10. Обогащаются техногенными элементами преимущественно наземные экосистемы. Для сравнения разных продуктов производства по геохимическому значению применяется коэффициент ноогенной концентрации:

где i — количество аномальных элементов; С — содержание в данном продукте; N — содержание в биосфере.

Наиболее высокий коэффициент характерен для каменного угля, при его сжигании в экосистемы поступает избыточное количество 25 элементов, в том числе углерод, тяжелые металлы, уран. Ниже коэффициенты у нефти и газа, но и с ними поступает избыточное количество С, N, S, I, Cd и инертных газов — Не, Аг. Велик коэффициент у удобрений (порядка 1000—2000), у фосфорных выше, чем у калийных и азотных. В фосфорных удобрениях много F, Cd, Sr, As, F, Cu, Pb, Hg.

В России наибольшему загрязнению подвергаются экосистемы европейской степной области. Повышенный фон отмечается в Московской области, низкий — в Поволжском и Северо-Западном регионах. Критерии дифференциации экосистем по степени загрязненности в настоящее время весьма субъективны. Исходя из основ учения о биосфере, по-видимому, следует считать незагрязненными на настоящий момент экосистемы, отвечающие следующим критериям (М. А. Глазовская, 1988): —не нарушаются концентрационные, газовые и окислительно-восстановительные (средообразующие) функции живого вещества, регулирующие геохимическое самоочищение системы;

• —не нарушается биохимический состав продукции настолько, чтобы вызвать нарушение жизненных функций в пищевых цепях;
• —не понижается биопродуктивность системы;
• —не нарушается информативность — сохраняется генофонд.

При изменении этих условий происходит техногенная трансформация экосистем, а затем и разрушение.

Об опасности современного уровня загрязнения элементами можно судить по соотношению двух геохимических коэффициентов — биофильности и технофильности.

Биофильность есть отношение содержания элемента в живом веществе к кларку литосферы. Технофильность — отношение массы ежегодно добываемого человеком элемента к кларку литосферы. Чем больше технофильность элемента и ниже биофильность, тем опаснее для живых организмов загрязнение его соединениями. Наиболее токсичены Hg, Cd, F, затем Sb, As, Pb, U, затем Se, Be, Ba, St.

Техногенное загрязнение имеет разные масштабы. Глобальное охватывает весь земной шар, например повышение содержания С0₂ в атмосфере в результате сжигания угля и нефти, накопление Sr⁹⁰ после ядерных взрывов и др.

Загрязнения могут распространяться на материки, страны, зоны, области в случаях применения минеральных удобрений, ядохимикатов. Локальные загрязнения связаны с конкретным рудником, заводом, городом.

В результате загрязнения возникают геохимические аномалии в почвах, породах, строениях (литохимические), в водах (гидрогеохимические), в атмосфере (атмогеохимические), в организмах (биогеохимические). Аномалии не всегда оказывают вредное воздействие на экосистемы. Полезными являются повышенное содержание кальция в районах известкования почв, фторирование воды, применение микроудобрений, минеральных подкормок.

Интенсивное изменение физических и геофизических факторов среды произошло только в XX в. Именно с этого времени началось широкое использование электрической, а затем и ядерной энергии, появилось множество разнообразных машин.

Техногенные искусственные магнитные и электромагнитные поля, инфракрасное, видимое, ультрафиолетовое и лазерное излучения, акустические колебания, вибрация, электрический ток охватили практически всю биосферу. Их максимум приходится на селитебные, особенно городские, ландшафты. У большинства этих факторов есть природные аналоги, безопасности жизнедеятельности угрожают те из них, интенсивность воздействия которых существенно отличается от природных. Установлена их связь с ростом травматизма, общей заболеваемостью.

Степень допустимого воздействия указанных факторов на производстве регламентируется санитарными нормами и ГОСТом.

В XX в. мощность техногенного радиоизлучения Земли значительно превзошла ее естественное радиоизлучение и стала самым заметным в Солнечной системе в полосе частот, превышающих 30 МГц (излучение на более низких частотах экранируется ионосферой). Только в США работают более 20 млн передатчиков (А. Н. Дмитриев, 1995).

Волны от ЛЭП могут создавать на определенных силовых линиях магнитного поля Земли «сток» низкоэнергетических частиц. Он образует заметную асимметрию в распределении электронов с энергией 2,5 кэВ над крупными промышленными объектами с развитыми энергетическими сетями (С. И. Климов и др., 2000).

Техногенные физические процессы угрожают состоянию озонового экрана биосферы. Мощнейшим катализатором диссоциации озона является воздействие ионизации и загрязнения верхней атмосферы при запусках искусственных космических объектов (А. К. Муртазов, 2004). С 1945 по 1961 г. в атмосфере взорвано более 400 ядерных зарядов общей мощностью до 550 Мт. В результате в атмосферу было поднято 12 т радиоактивных продуктов, что вызвало сильнейшие геомагнитные возмущения и привело к почти необратимым изменениям в ионосфере, резкому повышению ее радиоактивности. Реальность воздействия таких испытаний на состояние озонового слоя была подтверждена наблюдениями над содержанием озона в начале 60-х гг.

XX в., когда ядерные взрывы проводились регулярно (А. Н. Дмитриев, 1995; А. К. Муртазов, 2004).

Техногенное радиоактивное загрязнение биосферы — один из самых опасных процессов. Даже незначительное повышение радиации сильно влияет на генетический аппарат организмов, в том числе и людей. Количество мутаций во многом определяется суммарной дозой, а не жесткостью и интенсивностью облучения. Поэтому, говоря о радиоактивном загрязнении, в первую очередь имеют в виду не химические особенности элементов, а их радиоактивное излучение. К основным источникам радиоактивного загрязнения относятся: разработка урановых месторождений, перевозка руды и рудных концентратов, обогащение и переработка руд, хранение руд и отходов во временных хранилищах, складирование «пустых» пород при отработке урановых месторождений, исследование ядерных устройств в военных целях (США в войне против Японии), испытание ядерных устройств на военных полигонах (наземные и подземные взрывы), деятельность предприятий ядерно-топливного цикла, использование энергетических ядерных реакторов, аварии на АЭС и реакторах, аварии на подвижных ядерных устройствах (надводных и подводных кораблях, космических аппаратах), использование ряда минеральных удобрений, сжигание углей на ТЭЦ и ГРЭС и др.

Не смотря на прекращение атомных испытаний в атмосфере (с 1963 г.) к настоящему времени суммарный уровень техногенного облучения в РФ составляет около 0,5 мЗв (миллизиверт) в год и приблизился к диапазону среднего уровня естественного облучения (0,3— 0,6 мЗв в год). Ниже представлены источники и средние уровни техногенного облучения в Российской Федерации, мЗв/год:

• • испытания ящерного оружия — 0,2;
• • атомная энергетика — 0,001;
• • медицинское и другое профессиональное облучение — 0,03;
• • Чернобыльская катастрофа — 3.

Человечество уже потребляет энергию, величину которой можно сравнить с падающей солнечной энергией (табл. 11). И хотя техногенные потоки энергии имеют мощность на два порядка меньше, чем естественные воздействия, их рост проходит практически по экспоненциальному закону (В. Г. Горшков, 1995; Л. В. Лесков, 1996; К. С. Лосев, 2001).

Таблица 11

Интегральные характеристики потоков энергии у земной поверхности (А. К. Муртазов, 2004)

Мало изучен характер техногенного геофизического воздействия на других обитателей планеты, хотя с ним уже связывают массовые «самоубийства» морских животных, выбрасывающихся на берег.