Глобальные проблемы человечества в экологии
1. Вступление
Озабоченность глобальными экологическими проблемами (отразившаяся, в частности, в подписании международных Конвенций по климату и биоразнообразию в июне 1992 г.).-примечательная черта нашего времени. Люди все более ощущают себя обитателями одной планеты, обязанными во имя будущего объединить усилия для решения стоящих перед ними насущных проблем. К сожалению, понимание этих проблем неадекватно желанию разрешить их самым простым и быстрым способом - разрыв, который может привести к нежелательным последствиям.
2. Проблема глобальных климатических изменений, сокращение озонового слоя
Проблема глобальных климатических изменений.
Проблема глобальных климатических изменений оказалась в центре внимания в связи с ожидаемым потеплением, вызванным техногенными выбросами парниковых газов.
Парниковый эффект-разогревание нижних слоев атмосферы - возникает в результате поглощения отраженного теплового излучения поверхности Земли молекулами углекислого газа, водяного пара, метана, хлорфторуглеродов и некоторых других газов. Хотя метан дает гораздо больший парниковый эффект, чем углекислый газ, последний более устойчив в атмосфере и выбрасывается в огромных количествах - в объеме около 8-1012 кг ежегодно при сжигании угля, нефти и (в меньшей степени) природного газа. Предполагается, что накопление СО2 в атмосфере приведет к потеплению, которому будут сопутствовать таяние полярных льдов, подъем уровня Мирового океана, затопление густонаселенных приморских низменностей и целых островных государств, опустынивание, сокращение летних осадков на 15- 20% в основных сельскохозяйственных районах от американского среднего запада до Средиземноморья и Западной Австралии.
Такого рода опасения были существенно подкреплены обнародованным в 1990 г. докладом первой рабочей группы Международного пленума по климатическим изменениям, составленным 170 авторитетными специалистами из 25 стран (и еще 200 ученых были привлечены к рецензированию доклада). По их единодушному мнению, парниковый эффект уже дал потепление на 0,3-0,6 (0,5) °С с конца 19 в. Удвоение содержания CO2 в атмосфере произойдет к 2035 г. Соответствующее глобальное потепление составит от 1,5° до 4,5°С, скорее всего около 2,5°С. К этому времени ожидается подъем уровня моря от 8 до 29 см (около 20 см) и до 65 см к 2100 г. На обширных пространствах Евразии и Северной Америки, включая основные житницы, установится летнесухой климат.
Для предотвращения пагубных последствий климатических изменений предполагается снизить выбросы двуокиси углерода, окислов азота и хлорфторуглеродов на 60%, метана на 20%, Эти рекомендации, по-существу, означают крутой поворот в адаптивной стратегии человека. Раньше человек боролся с холодом, теперь начинает бороться с теплом. Раньше он перестраивал свою деятельность, приспосабливаясь к изменениям среды, теперь перестраивает для сохранения статус-кво.
На национальном уровне 15 стран ответственны за 77% выбросов парниковых газов. Среди них на первом месте США (17%) и СНГ (около 13%). Сумарный вклад развивающихся стран - около 46%.
В то же время роль парникового эффекта в климатических процессах последних десятилетий далеко нс бесспорна. Так, 40-е - 60-е годы, первый этап массивных выбросов СО2, ознаменовались заметным похолоданием. Резко возросшие техногенные выбросы 80-х, по сверхточным спутниковым измерениям за десятилетие (1979-1988 гг.) не дали парникового эффекта.
Глобальный климат зависит в первую очередь от общего количества тепла, получаемого атмосферой и его распределения по поверхности планеты. Первое в свою очередь связано со светимостью Солнца, эксцентриситетом земной орбиты, выделением тепла недр, альбедо земной поверхности и атмосферы, парниковым эффектом. Ни один из этих факторов не остается постоянным. На фоне общей тенденции к увеличению светимости Солнца проявляются ротационные и магнитные 22-летние и более продолжительные циклы в 100, 200 и 400 лет. Достоверно установлена связь между пиками солнечной активности (включая последний, 1989 г.) и глобальными потеплениями, тогда как ее минимуму в 1640-1720 гг. соответствует «Малый ледниковый период»-общее похолодание на 1°С.
Альбедо земной поверхности и атмосферы - наиболее мощный регулятор теплового режима, зависит от распределения суши и моря, гор, характера горных пород и растительности, величины полярных ледниковых шапок, вулканической пыли, аэрозолей и облачности (альбедо 0,6-0,9). Поднятие хребтов Альпийско-Гималайского пояса и обширных плато (Тибет, Колорадо) с их вечными снегами, скудной растительностью, известняковыми утесами (альбедо 0,56) в сочетании с регрессией, распространением травянистой растительности (альбедо почти вдвое выше, чем у древесной), могло дать похолодание, достаточное для начала оледенения. В дальнейшем постоянный ледяной покров превращается в доминирующий фактор, усиливаемый оскудением растительности и развитием низкоширотных пустынь.
Пока не ясно, в какой мере облачность может компенсировать другие факторы альбедо, но описанная выше схема в принципе объясняет как направленное изменение, так и колебания температуры земной поверхности.
Вулканизм также может рассматриваться как фактор альбедо, однако его действие оказывается неоднозначным, так как вулканическая пыль уменьшает альбедо ледников, но изменение прозрачности атмосферы стратосферными аэрозолями дает обратный эффект. Поэтому результат зависит от географического положения и характера вулканизма. Один из самых сильных в истории взрыв вулкана Тамбора в Индонезии (фонолитовые игнимбриты) дал температурную аномалию-0,7°С в северном полушарии в 1815-1816 гг. Кракатау (дацитовая лава) вызвал понижение температуры на 0,25-0,4°С в течение двух лет. Сравнительно небольшое извержение вулкана Агунг (андезито-базальтовая лава) сопровождалось в 1963-1964 гг. температурными аномалиями около 0,28°С в тропиках и 1,3°С в высоких широтах, в то время как недавняя активность вулкана Св. Елены (дацитовые игнимбриты), расположенного на 46° с. Ш., не имела глобальных климатических последствий.
Сокращение озонового слоя.
Систематическое слежение за состоянием озонового слоя проводится с 1978 г. с помощью спутниковой аппаратуры. Основные выводы заключаются в том, что за 12 лет наблюдений общие потери стратосферного озона между 65° с. ш. и 65° ю. ш. составили около 3%. В то время как в экваториальной зоне сокращение озонового слоя несущественно, к полюсам оно возрастает, достигая 3°/о в год над Антарктидой.
Наиболее значительное сокращение озонового слоя- до 50% на высоте 20-50 км наблюдается в районе Антарктики в весеннее время. Это явление было описано Дж. Фарманом в 1985 г. и получило широкую известность под названием «озоновой дыры». Наиболее глубокие «дыры» возникли в нечетные годы- 1987 и 1989 гг., однако в 1990 г. весеннее сокращение озонового слоя над Антарктикой также было весьма значительным.
Резкое сокращение озонового слоя в районе Южного полюса происходит в течение трех-четырех недель с сентября по октябрь, в период вихревой циркуляции атмосферы, которая распадается в ноябре, распространяя истощенный озоновый слой к северу. В то же время озон восстанавливается за счет притока из низких широт.
В Арктике события носят менее драматический характер и отчетливо выраженной «озоновой дыры» не возникает, хотя убыль озона в течение зимы достигает 12% на высоте 17-20 км, а может быть и значительно более, поскольку она постоянно компенсируется притоком извне.
Еще в 1974 г. Шервуд Роланд выдвинул гипотезу о разрушении озонового слоя хлорфторуглеродами (ХФУ). Не вызвавшая вначале большого интереса, эта гипотеза оказалась в центре внимания после обнаружения, антарктической «озоновой дыры». ХФУ широко используются как фризы, растворители, стерилизаторы и моющие средства. Они накапливаются в тропосфере и, проникая в стратосферу, подвергаются фотолизу с выделением атомарного хлора, который, наряду с бромом, содержащимся в галонах, и их окисями катализирует реакции разложения озона.
Поскольку соединение окиси хлора (брома) с атомарным кислородом не может дать более чем 3% убыли озона, то основная роль отводится гетерогенным реакциям на частицах льда в полярных стратосферных облаках, которые таким образом выступают в качестве основного фактора разрушения озонового слоя.
Зимне-летнему сокращению озона в Арктике и Антарктике сопутствуют высокие концентрации окиси хлора, что рассматривается как прямое подтверждение участия ХФУ в разрушении озонового слоя.
Данные о последствиях сокращения озонового слоя для человека и биоты весьма противоречивы. Некоторое увеличение заболеваемости раком кожи может быть связано с возросшей солнечной активностью. В отдельные годы наблюдалось также сокращение продуктивности микропланктона в Антарктике. Дозы УФ здесь остаются существенно ниже обычных в низких широтах, но можно предположить, что полярная биота к ним более чувствительна. Требование принять превентивные меры против прогрессирующей утраты стратосферного озона прозвучали на ряде международных встреч и привели к подписанию в 1987 г. Монреальского протокола и осуществлению обширной программы по перестройке соответствующих видов химического производства.
В целом наблюдаемое в настоящее время сокращение озонового слоя, по-видимому, объясняется действием ряда факторов:
1) притоком обедненных озоном приземных воздушных масс к полюсам в связи с интенсивной вихревой циркуляцией атмосферы и тепловыми аномалиями в океане;
2) увеличением солнечной активности с пиком в 1989 г., вторым по интенсивности солнечных вспышек за последние 400 лет;
3) возросшей вулканической активностью-два взрывных извержения в низких широтах за последнее десятилетие (Эль-Чичон, Пинатубо), сопровождавшиеся массовыми выбросами сульфатных аэрозолей в стратосферу;
4) низкой температурой стратосферы, способствующей устойчивому развитию полярных облаков;
5) возросшими антропогенными выбросами окислов азота, двуокиси углерода, метана и ХФУ, накоплением озона в тропосфере (пока не оценена роль авиации, но производство самолетов типа Конкорд, регулярно летающих в стратосфере, внушает обоснованные опасения).
Таким образом, мы не можем рассчитывать на целиком управляемую модель озонового слоя. При этом нам еще предстоит оценить относительный вклад управляемых и неуправляемых факторов.
3. Кислотные дожди, опустынивание
Кислотные дожди.
Под популярным названием «кислотные дожди» кроется сложный комплекс воздействий техногенных загрязнений воздуха на человека и природную среду, главные последствия которых - рост аллергических заболеваний дыхательных органов, потери урожайности сельскохозяйственных растений, усыхание лесов, безрыбные озера.
Проблема кислотных дождей возникла в Западной Европе и Северной Америке в конце 50-х годов. В последнее десятилетие она приобрела глобальное значение главным образом в связи с возросшими выбросами окислов серы и азота, а также аммиака и летучих органических соединений (ЛОС). По данным ЕЭК, двуокись (трехокись) серы поступает из теплоэлектростанций и других стационарных источников при сжигании ископаемого топлива (88%), при переработке сульфидных руд (5%), нефтепродуктов, производстве серной кислоты и др. (7%). Для окислов азота среди стационарных источников топливно-энергетический дает 85% выбросов, производство цемента, извести, стекла, металлургические процессы, сжигание мусора и др.-12%. Азотные загрязнения поступают из нестационарных источников и-аммиак-от животноводческих предприятий и удобрений. Основные источники ЛОС-химические производства, промышленные и бытовые растворители, нефтехранилища, бензоколонкн и т.д.
Кроме этих первичных загрязнений, атмосферный воздух содержит ряд вторичных - озон и другие фотохимические оксиданты (образующиеся при действии солнечного света на смесь окислов азота и углеводородов), азотную и серную кислоты и др. Озон, содержание которого в приземном воздухе за последние десятилетия удвоилось, составляет основную часть фотохимического смога в атмосфере городов, загрязненной выхлопными газами. Озон разрушает легочную ткань и способствует развитию опухолевых процессов, хотя в то же время защищает от ультрафиолетового излучения, компенсируя сокращение стратосферного озонового слоя.
Первичные и вторичные оксиданты вместе определяют «поллютный климат», который зависит от обычного климата и в то же время изменяет его. Важно подчеркнуть, что воздействие каждого из поллютантов на природные экосистемы и человека определяется «поллютным климатом» как системой. Состояние этой системы зависит от непрерывно протекающих реакций различного происхождения поллютантов с радикалами гидроксила и между собой в газовой фазе, на аэрозолях, на поверхности листьев. При этом их воздействия нейтрализируются или взаимно усиливаются как в случае совместного выпадения двуокиси серы и аммиака.
Окислители поглощаются почвой и биотой из атмосферного воздуха, кислотных дождей и капель тумана, которые содержат в два-три раза больше серы и азота, чем дожди.
Первым экономически ощутимым следствием кислотных выпадений была утрата рыбных ресурсов: сотни озер в Скандинавии и на Британских островах стали безрыбными. Среди факторов, воздействующих на популяции рыб в связи с подкислением, называют нехватку кальция, осаждение алюминия на жабрах и, главным образом, нарушение репродуктивных процессов. Чувствительны к подкислению также амфибии, ракообразные, хирономиды, личинки поденок и веснянок, сокращение биомассы которых существенно сказывается на численности околоводных птиц.
Подкисление водоемов происходит за счет вымывания анионов серной и азотной кислот из почвы-главного аккумулятора кислотных загрязнений. Подкисление почвы приводит к изменению А1/Са и AI/Mg отношений, которые в Центральной Европе за последние двадцать лет возросли почти в два раза. Однако емкость почв по отношению к кислотным загрязнениям определяется их минеральным составом, катионным обменом, почвенным дыханием и другими факторами, которые в свою очередь зависят от геологического субстрата, климата и растительности. Существует несколько расчетных моделей оценки кислотности почв и ее картографического анализа, в ряде случаев выявляющих очень высокую степень корреляции с геологическим субстратом. Относительно недавно сформировавшиеся после отступления ледников почвы северной Европы обладают незначительной поллютной емкостью по сравнению со старыми почвами, обогащенными железом и алюминием.
Почвенное подкисление считают одной из основных причин усыхания лесов умеренной зоны северного полушария. В угрожающих масштабах деградация лесов проявилась в начале 70-х годов. Больше всего пострадали елово-пихтовые и дубовые леса. В европейских странах дефолиация порядка 25% отмечена у 15% деревьев старше 60 лет. Старые леса при этом терпят больший ущерб, чем молодые. Эффекты подкисления можно подразделить на химические и биологические. Первые заключаются главным образом в изменении катионного обмена растения, в результате которого деревья страдают от недостатка магния (особенно на естественно бедных магнием почвах) и избытка алюминия, в котором видят главную причину пожелтения хвои. Вторые весьма многообразны и большей частью носят косвенный характер: загрязнения выступают в роли пусковых механизмов биологических и биохимических процессов, ослабляющих растение, делающих его менее устойчивым к вредителям и климатическим воздействиям. В частности, кислая среда подавляет развитие микоризы и рост корней. В то же время повышенное содержание азота и свободных нуклеиновых кислот стимулирует развитие лесных вредителей. Косвенные воздействия выражаются в пролонгации летнего роста и соответственно повышенной чувствительности к первым заморозкам. К ним можно отнести также изменение генофонда в результате естественного отбора на устойчивость к кислотным загрязнениям.
На почвенные эффекты накладывается непосредственное воздействие озона и других газов на ассимиляционный аппарат листьев. Показано, например, что озон изменяет микроструктуру покрывающего хвою воска, который забивает до 80% устьиц. Такого рода воздействия наносят основной ущерб сельскохозяйственным растениям, менее зависимым от подкисления почв, которое контролируется агрохимикатами. Один из факторов снижения урожайности - изменение химизма среды, в которой протекают биохимические реакции между выделениями рыльца и пыльцой и от которых зависит эффективность опыления .
Подсчитано, что 25-процентное снижение концентрации озона дало бы прирост урожайности зерновых в США на сумму около 2-3 млрд. долларов, что составляет 2-3% стоимости всей сельскохозяйственной продукции.
Для лесов, однако, загрязнение почвы оказывается более существенным и, главное, долгодействующим фактором, проявляющимся через много лет после сокращения выбросов (почва при этом становится источником кислотных газов). Ущерб от кислотных дождей для европейских лесов оценивается в 118 млн. куб. м древесины в год (из них около 35 млн. куб. м на европейской территории России).
Вместе с тем воздействие загрязнений локализовано как по источникам выбросов, так и по чувствительности к ним лесных экосистем, в то время как усыхание лесов проявляется одновременно и с определенной периодичностью в разных странах, указывая на значение климатической составляющей этого явления. Среди специалистов существуют серьезные разногласия в отношении ведущей роли климатического или поллютного фактора. Большинство, однако, согласно с тем, что в сухие годы ущерб от кислотных загрязнений возрастает. В порядке позитивной обратной связи почвы выделяют двуокись азота-парниковый газ - и поглощают меньше метана. В данном случае естественный климат и «поллютный климат» настолько тесно связаны, что их, в сущности, невозможно разделить. Для бессточных озер решающее значение имеет нейтрализующий потенциал грунтовых вод. Климатически обусловленные колебания уровня грунтовых вод вызывают соответствующие изменения рН при постоянном