ГЛОБАЛЬНЫЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ

Деятельность современного человека существенно изменила природную среду на всей нашей планете.

Суть современного экологического кризиса составляет противоречие между почти безграничными возможностями человеческой деятельности, преобразующей природу, и ограниченными возможностями биосферы в ресурсном обеспечении этой деятельности.

Глобальный характер современного экологического кризиса отличает его от предшествующих кризисов. В этой связи традиционные методы выхода из кризиса посредством перемещения на новые территории практически неосуществимы. Реальным остается изменение способов производства, норм потребления и объемов использования природных ресурсов.

На протяжении последних двух-трех веков технические возможности человека изменять природную среду стремительно возрастали, достигнув своей высшей точки в эпоху научно-технического прогресса. Однако выяснилось, что рост могущества человека чаще всего приводил к увеличению отрицательных для природы и в конечном счете опасных для существования самого человека последствий его деятельности.

К числу наиболее острых для человечества и до сих пор нерешенных экологических проблем можно отнести следующие:

· демографический кризис (резкое увеличение населения Земли);

· урбанизация;

· уменьшение площади лесов;

· эрозия и снижение плодородия почв;

· дефицит пресной воды;

· негативные последствия производства энергии;

· загрязнение природной среды;

· разрушение озонового слоя стратосферы;

· антропогенное изменение климата;

· снижение биологического разнообразия (уменьшение численности видов организмов);

· снижение устойчивости природных экосистем к антропогенному воздействию;

· влияние негативных изменений в природной среде на здоровье населения.

Увеличение численности населения Земли. Для человеческой популяции характерен невиданный по масштабам «демографический взрыв», т. е. резкое увеличение темпов роста населения, продолжающееся с середины XX в. Оно особенно выражено в развивающихся странах Азии, Африки и Латинской Америки. Наиболее высокий прирост населения приходится на последние десятилетия. В конце 1990-х годов население Земли составило уже 6 млрд. человек, тогда как в 30-х годах XX в. население Земли составляло 2 млрд. человек. Считается, что плотность населения Земли приближается к критическому уровню. Однако, по мнению многих ученых, его численность со временем стабилизируется на уровне 10-12 млрд. человек.

Рост населения наряду с развитием промышленности - второй основной фактор негативного влияния на биосферу, поскольку возрастание численности человечества сопровождается увеличением потребностей в продукции сельского хозяйства и промышленного производства и объема вовлекаемых природных ресурсов. Указанные процессы приводят к росту загрязнения окружающей среды и негативному воздействию на биосферу.

Увеличение производства продуктов питания, создание новых рабочих мест, расширение промышленного производства сопровождаются расходованием невозобновляемых природных ресурсов, но главная причина противоречий между человеком и природой - быстрое нарастание совокупной антропогенной нагрузки на нее.

Специфика демографических процессов в разных странах связана с целым комплексом факторов, среди которых наибольшее значение имеют социально-экономические и экологические. Если в промышленно развитых странах воздействие на природу связано в основном с техногенным загрязнением то в развивающихся странах основное воздействие связано с прямым уничтожением природы в результате непомерно высоких нагрузок на экосистемы: сведение лесов, исчерпание доступных ресурсов и т. д.

Несмотря на то, что общая численность населения Земли возрастает, в отдельных странах прироста населения нет или даже наблюдается его убыль. Так, показатели рождаемости в России на протяжении всего XX в. снижались и в середине 60-х годов впервые опустились ниже уровня простого возобновления. В конце 90-х годов прошлого века эти негативные тенденции значительно усилились, и в 1991-1992 гг. в России сложилась уникальная демографическая ситуация, графическое отображение которой получило название «русский крест» (рис. 16.1).

Суть этого явления, наблюдаемого в мирное время и в отсутствие каких-либо глобальных катастроф, состоит в том, что показатели смертности в различных субъектах и в целом по России стали устойчиво превышать показатели рождаемости, что приводит к вымиранию населения (рис. 16.1).

Урбанизация (от лат. urbanus - городской) - процесс сосредоточения населения и экономической жизни в крупных городах. Если до 1900г. в городах жило всего около 14 % населения Земли, то в наши дни в городах живет примерно половина населения Земли. В городах требуется высочайшая концентрация продовольствия, воды, топлива и других ресурсов жизнеобеспечения. Природные экосистемы также не в состоянии переработать то количество отходов, которое образуется в процессе жизнедеятельности людей в городах. Главные следствия урбанизации: истощение энергетических ресурсов, загрязнение окружающей среды, деградация водных, лесных и почвенных ресурсов, потеря сельскохозяйственных угодий. Кроме того, имеются данные, что в городах заболеваемость людей в среднем в два раза выше, чем в сельской местности.

Глобальное загрязнение биосферы. Загрязнение представляет собой одну из самых древних проблем. Она возникла с появлением первых поселений с их ручьями из сточных вод и различными отходами домашнего хозяйства. Но до развития промышленной цивилизации загрязнения были сильно ограничены по своей природе и распространению. Все отходы разлагались под действием микроорганизмов и включались в круговороты веществ. Начиная со второй половины XX в. в процессе производственной деятельности человек создает синтетические вещества, которые, в виде отходов поступают в окружающую среду (в атмосферу гидросферу, почву) и почти не вовлекаются в биосферный круговорот веществ. Важно и то, что синтетические материалы часто являются ядовитыми для живых организмов.

В большинстве случаев загрязняющие вещества, широко распространяясь в атмосфере, гидросфере и почве, постепенно рассеиваются по всей биосфере. Основную роль играют атмосферные переносы. Восходящие потоки воздуха и ветры переносят загрязняющие вещества на разные расстояния и обеспечивают их циркуляцию в атмосфере. Антропогенные выбросы углекислого газа, оксидов азота, сернистого газа или ртути увеличивают фоновые концентрации этих примесей в атмосфере. Разбавление загрязнителей в среде (в воде или воздухе), уменьшая концентрацию на данном участке биосферы, не снижает их опасности для природы и человека, а только отдаляет негативные последствия.

Загрязнение атмосферы. Основная причина загрязнения атмосферы - сжигание ископаемого топлива. К другим причинам относятся выбросы побочных продуктов химической промышленности, выбросы пыли, радиоактивные газы атомных электростанций, выхлопы автомобилей. Основными веществами, загрязняющими атмосферу, являются газы (90%) и твердые частицы (пыль). Вследствие деятельности человека в атмосферу поступают пыль, углекислый газ (СО₂), угарный газ (СО), диоксид серы (SO₂), метан (СН₄), оксиды азота (NO₂, NO, N₂O).

Загрязнение почв. Повышение плодородия почв часто достигается путем внесения большого количества удобрений, использования средств химической защиты от вредителей, что позволяет интенсифицировать сельскохозяйственное производство. Широкое применение искусственных химических веществ приводит к загрязнению почв и живых организмов. Кроме того, атмосферные осадки, несущие загрязняющие вещества, выпадают на поверхность почвы и также являются источником ее загрязнения. Поверхностные и грунтовые воды смывают загрязняющие вещества в водную среду (реки, озера, моря).

Удобрения, безусловно, необходимы для пополнения в почве запасов питательных веществ, изъятых с урожаем. Стремление повысить продуктивность сельскохозяйственных растений приводит к перенасыщению почв удобрениями. Однако, согласно закону о предельной урожайности, продуктивность растений не увеличивается прямо пропорционально количеству внесенных удобрений. Излишек удобрений в почве приводит к избытку азота и фосфора в продуктах и ухудшает структуру почв.

Загрязнение континентальных и океанических вод. Многочисленные загрязняющие вещества могут растворяться в воде или же во взвешенном состоянии переноситься на огромные расстояния от мест сброса. Большинство токсикантов, в какой бы фазе они ни находились - в газообразной, жидкой или твердой, - способны загрязнять гидросферу.

Биологическое загрязнение в виде сточных вод приводит к сильному бактериологическому заражению и ведет к распространению инфекционных заболеваний, что создает дополнительные проблемы в области эпидемиологии.

Химическое загрязнение вод происходит в результате выброса различных химических соединений, используемых в сельском хозяйстве (пестициды и минеральные удобрения), а также отходов промышленных предприятий. Очень часто промышленные стоки несут в себе губительные для гидробионтов вещества, такие, как свинец, ртуть, медь и др. Загрязнение углеводородами (нефтью и нефтепродуктами) в последние десятилетия стало одним из основных видов загрязнения гидросферы.

Экологические последствия загрязнения природных вод проявляются в нарушении биогеохимических циклов веществ, снижении биологической продуктивности, деградации отдельных водных экосистем.

Загрязнение вод органическими веществами влияет на абиотические и биотические факторы, действующие как в проточных водах (реки), так и в больших стоячих водоемах (озера, замкнутые моря). В проточных водах слив отходов, насыщенных органическими веществами, вызывает полное нарушение функционирования экосистемы. При этом образуются четыре зоны, которые следуют одна за другой вниз по течению: 1) зона деградации, где воды реки смешиваются с загрязнителем; 2) зона активного разложения, где грибы и бактерии, аэробные, а затем и анаэробные размножаются и разрушают органическое вещество; 3) зона восстановления, где вода постепенно очищается, и восстанавливаются ее начальные характеристики; 4) зона чистой воды.

В результате активного развития микроорганизмов в зоне разложения резко падает концентрация растворенного кислорода и снижается численность водорослей. Вспышка автотрофов (микроскопические водоросли - фитопланктон) происходит в третьей зоне в результате появления нитратов и фосфатов, извлекаемых микроорганизмами-деструкторами из загрязняющих органических веществ. Когда удаление растворенного и взвешенного загрязняющего вещества заканчивается, и восстанавливаются начальные условия, вновь появляются организмы, живущие в чистой воде. Нарушения состава сообществ животных, обитающих в реках, выражены гораздо резче, так как никакие животные, обитающие в чистой воде, не могут выжить в зараженной зоне.

Загрязнение вод токсичными соединениями приводит к подавлению жизнедеятельности и гибели чувствительных к данному токсиканту организмов. Например, хлорсодержащие инсектициды, в частности ДДТ, тормозят фотосинтез у фитопланктона и оказывают сильное отрицательное воздействие на биоценозы вследствие способности к концентрации в пищевых цепях - биоаккумуляции.

Один из главных факторов негативных изменений в биосфере сверхинтенсивная эксплуатация природных ресурсов, которая приводит к таким последствиям, как разрушение растительного покрова и ухудшение свойств почвы.

Разрушение растительного покрова. В первую очередь оно связано с вырубкой лесов. Сведение лесов - одна из острейших глобальных экологических проблем. В функционировании природных экосистем роль лесных сообществ огромна. Лес поглощает атмосферные загрязнения, защищает почву от эрозии, регулирует сток поверхностных вод, препятствует снижению уровня грунтовых вод и т. д. Кроме того, леса играют большую роль в процессе связывания свободной углекислоты воздуха в процессе фотосинтеза (снижение парникового эффекта).

Уменьшение площади лесов вызывает нарушение круговоротов кислорода и углерода в биосфере. Хотя катастрофические последствия сведения лесов широко известны, их уничтожение продолжается. Площадь лесов на планете ежегодно уменьшается почти на 2%.

В результате интенсивного животноводства луговые экосистемы вырождаются в пустоши.

Ухудшение физико-химических свойств почвы. Чрезмерная эксплуатация земель под сельскохозяйственные культуры - мощный фактор разрушения природных ресурсов. Обычно выделяют четыре главные причины порчи и уничтожения земель: ветровая и водная - эрозия; засоление при неправильной ирригации; снижение плодородия; загрязнение почв.

Эрозия - разрушение почв в результате действия воды или ветра. Эрозионные процессы в природе резко усилились под влиянием человека. Эрозия начинается, прежде всего, там, где уничтожается естественный растительный покров, который скрепляет почву корнями и снижает интенсивность воздушных и водных потоков. За свою историю человечество потеряло около 2 млрд. га плодородных земель.

Орошаемое земледелие вызывает ирригационную эрозию и вторичное засоление. Излишек влаги на полях обусловливает повышение уровня грунтовых вод до поверхности почвы и их интенсивное испарение. Растворенные в воде соли накапливаются в верхнем горизонте почвы, снижая ее плодородие. Некоторые ученые считают, что цивилизация Древнего Вавилона погибла от вторичного засоления почв.

Истощение земель вызывается также: отчуждением питательных веществ с урожаем и неполным последующим их возвратом; потерей гумуса - ухудшением водного режима. В результате истощения почва теряет плодородие и опустынивается.

Разрушение озонового слоя Земли. С антропогенными изменениями атмосферы связано и разрушение озонового слоя, который служит защитным экраном от ультрафиолетового излучения, губительного для живых организмов. Особенно быстро процесс разрушения озонового слоя происходит над полюсами планеты, где появились так называемые озоновые дыры. В 1987г. зарегистрированы расширяющаяся год от года (темпы расширения - 4 % в год) озоновая дыра над Антарктикой (выходящая за контуры материка) и менее значительное аналогичное образование в Арктике.

Опасность истощения озонового слоя заключается в том, что может увеличиться интенсивность губительного для живых организмов ультрафиолетового излучения. Ученые считают, что основной причиной истощения озонового слоя (экрана) является применение людьми хлорфторуглеродов (фреонов), которые широко используются в быту и в производстве (аэрозоли, пенообразователи, растворители и т. д.). В 1990г. мировое производство озоноразрушающих веществ составляло более 1300 тыс. т. Хлорфторуглероды, попадая в атмосферу, разлагаются в стратосфере с выделением атомов хлора, которые катализируют превращение озона в кислород. В нижних слоях атмосферы фреоны могут сохраняться в течение десятилетий. Отсюда они поступают в стратосферу, где их содержание по оценкам ежегодно увеличивается примерно на 5%. Предполагается, что одной из причин истощения озонового слоя может быть и сведение лесов как продуцентов кислорода на Земле.

Глобальное изменение климата. В настоящее время основными причинами изменения климатической системы Земли считается антропогенная эмиссия (выбросы) газов (двуокиси углерода, метана, закиси азота, гидрофторуглеродов, перфторуглеродов и гексафторида серы), увеличивающих естественный парниковый эффект. Эти газы пропускают солнечный свет, но частично задерживают инфракрасное тепловое излучение, испускаемое поверхностью Земли. В последние десятилетия происходит интенсификация парникового эффекта, которая приводит к нагреванию нижних частей атмосферы, что, в свою очередь, обусловливает изменение климатических и метеорологических параметров.

Парниковый эффект. Под парниковым эффектом понимают повышение средней температуры приземной части атмосферы Земли в результате изменения теплового баланса, вызванного парниковыми газами. Основные парниковые газы - углекислый газ и водяной пар. Вклад углекислого газа в парниковый эффект, по разным данным, составляет от 50 до 65%. К другим парниковым газам относят метан (20%), оксиды азота (5%) и пр. Повышение концентрации парниковых газов приводит к тому, что солнечная радиация продолжает беспрепятственно проникать к земной поверхности, а длинноволновое (инфракрасное) излучение, идущее от Земли, поглощается парниковыми газами. В результате нижняя часть тропосферы нагревается выше обычного уровня и общий тепловой баланс Земли изменяется. По имеющимся данным, за счет парниковых газов среднегодовое значение температуры воздуха на Земле за прошлое столетие повысилось на 0,3...0,6 °С.

Считается, что до наступления индустриальной эры (конец XIX в.) потоки углерода между атмосферой, материками и океанами были сбалансированы. Но за последние 100 лет содержание углекислого газа в атмосфере значительно увеличилось в результате антропогенных поступлений (рис. 16.2). Одним из их основных источников считается сжигание горючих ископаемых, однако этот процесс ускоряется и в результате развития сельского хозяйства и сведения лесов.

Интенсивное ведение сельского хозяйства приводит к потере углерода почвой. Фиксация углекислого газа сельскохозяйственными растениями в процессе фотосинтеза не компенсирует его количества, высвобождающегося из почвы в результате вспашки. Сведение лесов приводит к дополнительному выделению углекислого газа в атмосферу при сжигании древесины. Леса - важные накопители углерода, так как в биомассе лесов содержится в 1,5 раза, а в лесном гумусе - в 4 раза больше углерода, чем во всей атмосфере.

Фотосинтезирующий зеленый пояс Земли и карбонатная система океана поддерживают постоянный уровень содержания углекислого газа в атмосфере. Но стремительно возрастающие темпы сжигания горючих ископаемых и образования большого количества углекислого газа в ходе развития цивилизации на Земле начинают превышать возможность растений полностью ассимилировать углекислый газ в процессе фотосинтеза.

Большая часть атмосферных запасов углерода попадает в океан, который содержит в 50 раз больше углекислого газа, чем атмосфера, или в растения и почву. Скорость, с которой образуются запасы углерода в этих наземных или океанических резервуарах, зависит от многих факторов. Океан и атмосфера формируют глобальную климатическую систему, и изменения в одном из этих блоков могут повлиять на другой. Для того чтобы иметь возможность предсказывать направление климатических изменений, нужно досконально знать процессы трансформации различных форм углерода в океане, переноса углерода в глубокие слои водной толщи и накопления его в донных осадках.

Большая часть углерода в океане долгое время сохраняется в глубинных водах и в осадках морского дна. Один из путей возможного поступления углерода из поверхностных продуктивных слоев океана в глубины океана - через биологический насос. Этот путь начинается с фитопланктона - одноклеточных организмов, которые создают основу океанической пищевой цепи, поглощая углекислый газ и биогенные элементы и в процессе фотосинтеза создавая органическое вещество. Фитопланктон и питающийся им зоопланктон продуцируют частицы органического вещества в виде отмерших организмов и продуктов жизнедеятельности.

В процессе дыхания водных организмов часть связанного в органическом веществе углерода окисляется до минеральных форм (углекислого газа) в верхних слоях океана, который в свою очередь может улетучиваться в атмосферу. Зафиксированный органический углерод в виде органических частиц (тела водных организмов, продукты их выделений в виде слипшихся комочков) под действием силы тяжести оседает в глубины океана, где он либо окисляется, либо становится частью осадочного органического материала. Как быстро и в каком объеме углекислый газ из атмосферы поступает в глубины океана, где задерживается на долгое время и где выключается из биогеохимического цикла углерода, зависит от интенсивности функционирования морских экосистем. Переход углерода неорганической формы (углекислый газ) в органическую (биомасса и детрит), трансформация и перенос углерода в глубины называется «биологическим насосом», т. е. процессом, в результате которого углерод как бы откачивается из атмосферы и накапливается в океане (в воде и донных отложениях).

Как показали исследования, за последние 100 лет концентрация углекислого газа в атмосфере выросла на 25%, а метана – на 100%. Быстрые темпы роста содержания в атмосфере углекислого газа и метана сопровождались глобальным повышением температуры. Так, в 1980-е годы средняя температура воздуха в Северном полушарии повысилась по сравнению с концом XIX в. на 0,5...0,6°С (рис. 16.3). По имеющимся прогнозам, средняя температура на Земле к 2020-2050 гг. может повыситься на 1,2...2,5°С по сравнению с доиндустриальной эпохой. Потепление может привести к интенсивному таянию ледников и повышению уровня Мирового океана на 0,5... 1,5м за указанный период. В результате окажутся затопленными многие густонаселенные прибрежные районы. Однако при общем увеличении количества осадков в центральных районах материков климат может стать более засушливым. Например, в 80-90-х годах XX в. в Африке и Северной Америке участились катастрофические засухи, которые связывают с глобальным потеплением.

В последние десятилетия потепление климата и рост количества атмосферных осадков на территории России оказали существенное влияние на гидрологические характеристики водных ресурсов. Так, в бассейнах рек Волги, Дона и Днепра наблюдалось увеличение стоков на 20...40 %. Увеличение стока Волги стало основным фактором повышения в 1978-1995 гг. уровня Каспийского моря почти на 2,5м. В районах Прикаспия было затоплено и выведено из землепользования более 320 тыс. га земли.

При потеплении климата ожидается увеличение риска опасных паводков во многих регионах России, где прогнозируется увеличение стоков рек. Прогнозируемые изменения уровней воды приведут к изменению процессов эрозии на водосборах и в руслах рек повышению мутности и ухудшению качества воды.

Климат на Земле менялся всегда, и не было сколько-нибудь длительных периодов, в течение которых он оставался стабильным. Но никогда еще климат не менялся с такой скоростью, как в настоящее время.

Помимо содержания парниковых газов существуют и такие важные параметры, активно влияющие на климат Земли, как содержание водяного пара в атмосфере и влагооборот над сушей. В результате повышения средней приземной температуры воздуха содержание водяного пара в атмосфере Земли возрастает, что приводит к усилению парникового эффекта. Влагооборот над сушей, который на 99% определяется растительностью, нарушается из-за ускоряющегося исчезновения лесов на планете.

В то же время глобальное потепление может привести и к обратной тенденции - к региональному похолоданию в результате изменения направлений морских течений. Уже в первые десятилетия XXI в. теплые воды Гольфстрима могут перестать быть барьером для холодных течений, идущих из Северного Ледовитого океана (от п-ва Лабрадор). Таким образом, на фоне общего планетарного потепления весьма вероятно локальное похолодание на севере Европы. Эффект исчезновения океанического обогрева может проявиться очень быстро, и, главное, он будет внезапным и резким. Последствия возможного локального похолодания на фоне общего потепления могут затронуть Исландию, Ирландию, Великобританию, страны Скандинавии, Мурманскую и Архангельскую области, республики Карелия и Коми, другие прилегающие районы России.

Результаты влияния человека на биосферу.В современную эпоху деятельность человека оказывает громадное влияние на природные условия всей планеты. Особенно сильно изменены флора и фауна суши. Многие виды животных и растений полностью уничтожены человеком, а еще большее количество видов находится под угрозой исчезновения. Предполагается, что за последнее время исчезло свыше 120 видов и подвидов млекопитающих и около 150 видов птиц.

Громадные изменения произошли с растительным покровом на большей части поверхности континентов. На обширных пространствах дикая растительность уничтожена и заменена сельскохозяйственными полями. Сохранившиеся до настоящего времени леса в значительной части являются вторичными, т. е. сильно измененными в результате воздействия человека по сравнению с естественным растительным покровом. Большие изменения произошли также в растительном покрове многих районов степей и саванн из-за интенсивного выпаса домашнего скота.

Воздействие человека на естественный растительный покров оказало заметное влияние на процесс почвообразования в соответствующих районах и привело к изменению физических и химических свойств почв. Ещё больше изменились почвы на сельскохозяйственных полях вследствие систематического применения искусственных химических удобрений и изъятия значительной части биомассы произрастающих растений. Во многих районах экологически не обоснованная обработка почвы привела к усилению эрозии, в результате которой почвенный покров на больших площадях оказался разрушенным.

Быстро возрастает влияние деятельности человека на гидрологический режим суши. Сток не только малых, но и многих крупных рек существенно изменился в результате создания гидротехнических сооружений, изъятия воды для обеспечения нужд промышленности и городского населения, орошения сельскохозяйственных полей. Создание крупных водохранилищ, площадь которых во многих случаях сравнима с площадью больших естественных озер, резко изменило режим испарения и стока на обширных территориях.

Период в истории взаимоотношений человека и природы с начала XX в. и до настоящего времени характеризуется расширением его экспансии: заселением всех доступных для проживания территорий, интенсивным развитием промышленного и сельскохозяйственного производства, открытием и началом эксплуатации новых способов высвобождения и преобразования энергии (в том числе энергии атомного ядра), началом освоения околоземного космического пространства и Солнечной системы в целом, а также невиданным ранее ростом численности населения.

История влияния человека на биосферу показывает, что технический прогресс постоянно увеличивает возможности воздействия на окружающую среду, создавая предпосылки для возникновения крупных экологических кризисов. С другой стороны, тот же технический прогресс расширяет возможности устранения создаваемых человеком ухудшений природной среды. Наиболее отчетливо эти две противоположные тенденции проявились во второй половине XX в. и продолжаются в настоящее время.

Контрольные вопросы и задания

1. Охарактеризуйте основные направления влияния человека на биосферу.

2. В чем заключается суть современного экологического кризиса?

3. Перечислите важнейшие экологические проблемы современности.

4. Какие факторы влияют на глобальное изменение климата?