Тема 5. Экологические факторы

Роль вещества. Круговорот элементов. Закон сохранения вещества. Большой и малый круг. Биогеохимический цикл. Круговорот воды. Биогенные элементы. Углерод. Кислород. Азот. Фосфор. Сера

Основных круговоротов веществ в природе два: большой (геологический) и малый (биогеохимический).

Большой круговорот веществ в природе (геологический). Геологический круговорот обусловлен взаимодействием солнечной энергии с глубинной энергией Земли и осуществляет перераспределение вещества между биосферой и более глубокими горизонтами Земли.

Осадочные горные породы, образованные за счёт выветривания магматических пород, в подвижных зонах земной коры вновь погружаются в зону высоких температур и давлений. Там они переплавляются и образуют магму – источник новых магматических пород. После поднятия этих пород на земную поверхность и действия процессов выветривания вновь происходит трансформация их в новые осадочные породы (рис.). Символом круговорота веществ является спираль, а не круг. Это означает, что новый цикл круговорота не повторяет в точности старый, а вносит что-то новое, что со временем приводит к весьма значительным изменениям.

Рис. Большой (геологический) круговорот веществ

Большой круговорот – это и круговорот воды между сушей и океаном через атмосферу. Влага, испарившаяся с поверхности Мирового океана (на что затрачивается почти половина поступающей к поверхности Земли солнечной энергии), переносится на сушу, где выпадает в виде осадков, которые вновь возвращаются в океан в виде поверхностного и подземного стока. Круговорот воды происходит и по более простой схеме: испарение влаги с поверхности океана – конденсация водяного пара – выпадение осадков на эту же водную поверхность океана.

Подсчитано, что в круговороте воды на Земле ежегодно участвует более 500 тыс. км³ воды.

Круговорот воды в целом играет основную роль в формировании природных условий на нашей планете. С учётом транспирации воды растениями и поглощения её в биогеохимическом цикле, весь запас воды на Земле распадается и восстанавливается за два миллиона лет.

Ткани живых организмов на 70 % состоят из воды, и поэтому В.И. Вернадский определял жизнь как живую воду. Воды на Земле много, но 97 % - это солёная вода океанов и морей, и лишь 3 % - пресная. Из этих 3 % - три четверти почти недоступны живым организмам, так как эта вода «законсервирована» в ледниках гор и полярных шапках (ледники Арктики и Антарктики). Это резерв пресной воды. Суммарные водные ресурсы России представлены на рис.

Рис. Суммарные водные ресурсы России

Из воды, доступной живым организмам, основная часть заключена в их тканях.

Потребность в воде у организмов очень велика, например, для образования 1 кг биомассы дерева расходуется до 500 кг воды. Доля пресной воды, доступной живым организмам, довольно мала, поэтому её нужно расходовать экономно и не загрязнять.

Основная масса воды сосредоточена в океанах. Испаряющаяся с его поверхности вода даёт живительную влагу естественным и искусственным экосистемам суши. Чем ближе район к океану, тем больше там выпадает осадков. Суша постоянно возвращает воду океану: часть воды испаряется, особенно лесами, часть собирается реками, в которые поступают дождевые и снеговые воды. Обмен влагой между океаном и сушей требует очень большого количества энергии: на это затрачивается до 1/3 поступающей на Землю солнечной энергии.

Рис. Цикл воды в биосфере

Цикл воды в биосфере (рис.) до развития цивилизации был равновесным, океан получал от рек столько воды, сколько расходовал её при испарении. Если не менялся климат, то не мелели реки и не снижался уровень воды в озёрах. С развитием цивилизации этот цикл стал нарушаться. В результате полива сельскохозяйственных культур увеличилось испарение с суши. Реки южных районов обмелели, загрязнение океана и появление на его поверхности нефтяной плёнки уменьшило количество воды, испаряемой океаном. Всё это ухудшает водоснабжение биосферы. Более частыми становятся засухи, возникают очаги экологических бедствий, например, многолетняя катастрофическая засуха в зоне Сахеля.

Сахель (от aрабского ساحل, са́хель, в переводе означает «берег», «граница» или «побережье») — тропическая саванна в Африке, которая является своеобразным переходом между северной Сахарой и южными, более плодородными землями, более известными как африканский регион Судан (не путать с государством Судан).

Главная засуха в Сахеле наступила в 1914 году. Она была вызвана низким количеством дождей. Это явление вызвало крупномасштабный голод. Суровая и длительная засуха наблюдалась в этом регионе и с 1968 по 1973 г. Засуха разразилась после относительно длительного благоприятного по влажности периода 1947 — 1968 гг. Уже в 1967 г. во многих районах дождей было меньше, чем в предыдущие годы, но в основном еще в пределах средней нормы. В 1968 г. наметился небольшой дефицит осадков, но главная сложность заключалась в их неблагоприятном распределении во влажный сезон. В сахельской зоне Нигера, например, обильные дожди прошли необычайно рано — в марте — апреле, а затем последовал абсолютно сухой май. Все последующие годы отличались большим дефицитом осадков. Своего апогея засуха достигла в 1972 г. Резкое сокращение дождей наблюдалось не только в Сахеле, но и в примыкающей с юга суданской, преимущественно земледельческой, зоне особенно в 1972г. Следующий год оказался менее суровым, но не повсеместно. Так, в Гао (Мали) при среднегодовой норме осадков 263 мм было зарегистрировано в 1973 г. всего 144 мм влаги (против 157 мм в 1972 г. и 173 мм в 1971 г.). Последним годом засухи считают 1973 г. Однако и в следующий год долгожданные дожди пришли не во все районы. Например, для жителей того же Гао 1974 г. оказался наиболее дефицитным по осадкам: их выпало лишь 128 мм. Долгий период засухи с 1968 по 1974 год быстро сделал Сахель нежизнеспособным. Произошло сильное изменение ландшафта. Лишь только помощь международных организаций позволила Сахелю избежать такого количества жертв, как в 1914. Эта катастрофа привела к созданию Международного Фонда Сельскохозяйственного Развития.

Кроме того, и сама пресная вода, которая возвращается в океан и другие водоёмы с суши, часто загрязнена. Практически непригодной для питья стала вода многих рек России.

Прежде неисчерпаемый ресурс – пресная чистая вода – становится исчерпаемым. Сегодня воды, пригодной для питья, промышленного производства и орошения, не хватает во многих районах мира.

Малый круговорот веществ в биосфере (биогеохимический). В отличие от большого круговорота, малый совершается лишь в пределах биосферы. Сущность его – в образовании живого вещества из неорганических соединений в процессе фотосинтеза и в превращении органического вещества при разложении вновь в неорганические соединения.

Круговорот отдельных веществ В.И. Вернадский назвал биогеохимическими циклами. Суть цикла в следующем: химические элементы, поглощённые организмом, впоследствии его покидают, уходя в абиотическую среду, затем, через какое-то время, снова попадают в живой организм и т.д. такие элементы называют биофильными.

Биогеохимические циклы наиболее важных для жизни организмов биогенных веществ

Наиболее жизненно важными можно считать вещества, из которых, в основном, состоят белковые молекулы. К ним относятся углерод, азот, кислород, фосфор, сера.

Биогеохимические циклы углерода, азота и кислорода наиболее совершенны. Благодаря большим атмосферным резервам, они способны к быстрой саморегуляции.

Цикл углерода (рис.). Углерод – основа органических соединений. В атмосфере постоянно происходит обмен диоксида углерода: растения поглощают его при фотосинтезе, и все организмы выделяют в атмосферу в результате дыхания. Кроме того, углерод поступает в атмосферу из детрита – торфа, сапропеля. Это происходит в тех случаях, когда осушают болота и создаются условия для деятельности аэробных микроорганизмов, разрушающих органические вещества.

Человек включает в цикл углерода органические вещества из подземных кладовых детрита – нефти, угля, сланцев, газа. При сжигании этого топлива повышается содержание диоксида углерода в атмосфере. Пока это повышение незначительно, так как дополнительный диоксид углерода успевают использовать леса и фитопланктон океана. Кроме того, этот газ поглощается и самой водой океана, и образующиеся соединения захораниваются на его дне. Если площадь лесов будет и дальше сокращаться, а океан – загрязняться, то может произойти значительное увеличение концентрации диоксида углерода в атмосфере.

Рис. Цикл кислорода и диоксида углерода в биосфере

Цикл кислорода (рис.). Кислород выделяют зелёные растения в результате фотосинтеза, а поглощают его все живые организмы при дыхании. До появления цивилизации этот цикл также был равновесным. Сегодня кислород используется при сжигании горючего в двигателях автомобилей, в топках тепловых электростанций, в двигателях самолётов и ракет и т.д. это дополнительное расходование кислорода может нарушить равновесие его цикла. Пока биосфера справляется с вмешательством человека в цикл кислорода: его потери компенсируются зелёными растениями. При дальнейшем уменьшении площади лесов и сжигании всё большего количества топлива содержание кислорода в атмосфере начнёт уменьшаться.

Рис. Цикл азота в биосфере

Цикл азота (рис.). Азот – один из самых важных для жизнедеятельности организмов элементов. Он необходим для синтеза белка. Атмосфера в основном состоит из азота (его доля составляет 78%), но этот газ инертный и потому недоступный большинству организмов. Связывание азота в доступные растениям формы происходит при грозовых разрядах. Этот процесс осуществляют и микроорганизмы-азотфиксаторы. Однако пересыщения биосферы азотом не происходит. Его соединения разрушаются до оксидов азота и восстанавливаются до молекулярного азота микроорганизмами-денитрофикаторами, и азот возвращается в атмосферу. человек нарушает равновесность цикла азота. При распашке земель резко (примерно в 5 раз) снижается активность фиксации азота микроорганизмами и, напротив, активизируется деятельность разрушающих азотные соединения микроорганизмов-денитрификаторов. В итоге уменьшается содержание связанного азота в его основном хранилище – почве. Это ведёт к снижению плодородия почв и продуктивности сельскохозяйственных экосистем.

Азот почвы потребляют растения. В составе растительных белков его используют животные. Возврат азота осуществляется в результате вымывания его из почвы и выделения в атмосферу в форме чистого азота и его оксидов. Бактерии разлагают белки до минеральных форм азота. Попадающий в водоёмы азот также проходит по пищевым цепям «растение – животное – микроорганизмы» и возвращается в атмосферу.

Рис. Цикл фосфора в биосфере

Цикл фосфора (рис.). Фосфор содержится в горных породах, откуда попадает в экосистемы либо при естественном разрушении пород, либо при внесении на поля фосфорных удобрений. Растения поглощают фосфор, а животные, питающиеся этими растениями, накапливают его в своих тканях. После смерти растений и животных микроорганизмы возвращают фосфор в почвенный раствор. Однако не весь возвращённый в почвенный раствор фосфор растения усваивают вновь. Часть его вымывается из почвы и по ручьям и рекам поступает в моря и океаны. Из этих хранилищ фосфор почти не возвращается, лишь некоторую его часть выносят на сушу птицы, питающиеся рыбами. На птичьих базарах накапливается ценное фосфорное удобрение – гуано (птичий помёт). Некоторое количество фосфора возвращается на сушу при рыбном промысле. Отток фосфора с суши в океан особенно усиливается под влиянием на экосистемы человека – в первую очередь при распашке земель и сведении лесов.

В отличие от циклов воды, углерода и кислорода цикл фософора открытый. С суши фосфор постоянно выносится в океан. Запасы фосфора в горных породах, откуда он сам переходит в почвы (а чаще добывается как сырьё для фосфорных удобрений), истощаются. Таким образом, если ресурсы азота неисчерпаемы, то запасы фосфора постоянно сокращаются. Возникает проблема дефицита фосфора и в результате – снижение урожайности сельскохозяйственных культур и продуктивности естественных экосистем. Решение проблемы – в устранении условий, ускоряющих вымывание фосфора. Главное – это экономное расходование фосфорных удобрений и внесение удобрений такими способами, которые уменьшают его вымывание из почвы.

__________________________________________

Концепции глобального развития цивилизации. Пределы экономического роста. Причины конфликта между экономическими и экологическими интересами общества. Модель будущего развития мира.

Постиндустриальное общество, «антифутурологическая волна», вторая «футурологическая волна» и др.

Научное прогнозирование (в отличие от разнообразных форм ненаучного предвидения) - это соответственно непрерывное, специальное, имеющее свою методологию и технику исследование, проводимое в рамках управления, с целью повышения уровня его обоснованности и эффективности.

Исследование будущего разделяется на два качественно различных направления: поисковое (исследовательское) и нормативное прогнозирование. Поисковое прогнозирование - это анализ перспектив развития существующих тенденций на определенный период и определение на этой основе вероятных состояний объектов управления в будущем при условии сохранения существующих тенденций в неизменном состоянии или проведения тех или иных мероприятий с помощью управленческих воздействий. Нормативное прогнозирование (иногда его называют “прогнозированием наоборот”, т.к. в данном случае исследование идет в обратном направлении: от будущего к настоящему) представляет собой попытку рационально организованного анализа возможных путей достижения целей оптимизации управления. Этот вид прогнозов как бы отвечает на вопрос: “Что можно или нужно сделать для того, чтобы достичь поставленных целей или решить принятые задачи?”. Предметом нормативного прогнозирования выступают субъективные факторы (идеи, гипотезы, предположения, этические нормы, социальные идеалы, целевые установки), которые, как показывает история, могут решающим образом изменить характер протекающих процессов, а также стать причиной появления качественно новых, непредсказуемых феноменов действительности.

В исследовании различных аспектов взаимосвязи человека и биосферы можно выделить ряд стадий: описание - исходный, эмпирический этап, отвечающий на вопрос “что происходит в окружающей среде и в самом человеке?”; объяснение - промежуточный, теоретический этап, отвечающий на вопрос “почему это происходит?”; предвидение - завершающий, практически ориентированный этап экологического исследования, который должен давать ответы на два (как минимум) вопроса: “каким образом обнаруженные тенденции будут вести себя в будущем?” и “что следует предпринять для того, чтобы предотвратить нежелательные явления или, наоборот, способствовать реализации благоприятных возможностей?”.

К середине 1980-х годов имелось более 15 глобальных прогнозов, получивших название “моделей мира”. Самые известные и, пожалуй, наиболее интересные из них - это “Мировая динамика” Дж. Форрестера, “Пределы роста” Д. Медоуза с соавторами, “Человечество у поворотного пункта” М. Месаровича и Э. Пестеля, “Латиноамериканская модель Баричоле” А. О. Эрреры, “Будущее мировой экономики” В. Леонтьева, “Мир в 2000 году. Доклад президенту” и другие. Основоположником и идейным отцом глобального прогнозирования на основе системного анализа по праву считается американский ученый Д. Форрестер, несомненной заслугой которого является попытка использовать математические методы и ЭВМ для создания варианта модели экономического развития общества с учетом двух важнейших факторов - численности населения и загрязнения среды. Значение своей работы Дж. Форрестер видел в том, что она “будет содействовать возникновению ощущения необходимости безотлагательного решения существующих проблем и укажет на эффективное направление работы для тех, кто решится исследовать альтернативы будущего”.

У Дж. Форрестера действительно оказались последователи. Появился первый глобальный прогноз Римского клуба под названием “Пределы роста”, авторы которого под руководством Д. Медоуза построили динамичную модель мира, куда в качестве исходных данных включили население, капиталовложения (фонды), земное пространство, загрязнение, использование природных ресурсов, посчитав эти компоненты основными в динамике изменения мировой системы. Выводы авторов сводились к следующему: если сохранятся существовавшие на конец 1960-х годов тенденции и темпы развития экономики и роста народонаселения, то человечество неминуемо должно прийти к глобальной экологической катастрофе. “Апокалипсис” предрекался примерно на 2100 год. А отсюда и рекомендации: немедленно свести к нулю рост народонаселения и производства. Однако эти предложения авторов модели нереальны, неприемлемы, да и просто утопичными, но дали пищу для развития антинаучных и антигуманных теорий, способствовали резкой вспышке всякого рода неомальтузианских и геополитических рассуждений, уводящих от реальных путей преодоления экокризисных явлений.

Не случайно уже следующая модель М. Месаровича и Э. Пестеля - “Человечество у поворотного пункта” - была значительно более обоснованной. И дело не только в том, что в ней комплексная взаимосвязь экономических, социальных и политических процессов, состояние окружающей Среды и природных ресурсов представлены как сложная многоуровневая иерархическая система. Авторы попытались посмотреть на мир не как на нечто аморфно-целое, а как на систему отличающихся друг от друга, но взаимодействующих регионов. Выводы авторов этой модели более оптимистичны, чем предыдущей. Однако “прогресс” Месаровича и Пестеля можно свести к тому, что они, отвергая неизбежность “единой” глобальной экологической катастрофы, будущее человечества видят в длительных, разнообразных кризисах - экологических, энергетических, продовольственных, сырьевых, демографических, могущих постепенно охватить всю планету, если общество не примет их рекомендации перехода к “органическому росту” - сбалансированному развитию всех частей планетарной системы. Но это также далеко от реальностей, которыми полон современный мир.

Постепенно модели становились все более конкретными, а проблемы - более цельными. К настоящему времени методологические принципы, техника, методика современного глобального прогнозирования неизмеримо усложнились по сравнению с исторически первыми и простейшими методами оценки экологической емкости Земли. В новых условиях обострившихся потребностей в нахождении эффективных способов целенаправленного воздействия на процессы взаимодействия человека и биосферы встают задачи разработки конкретных прогнозов будущего человечества, формирования конкретных научно обоснованных представлений об основных возможных тенденциях развития человечества на ближайшие 50 - 100 лет. Существенно то, что результаты такого прогнозирования спектра возможностей “должны быть сформулированы не только на языке теории, но и на языке управленческой практики”⁴. Поэтому “насущная необходимость” в создании системы глобального прогнозирования с самого начала должна осмысливаться с учетом мировой практики управления сверхсложными системами и соответственно в качестве необходимости создания “человеко-машинной системы”, т.е. автоматизированной информационно-прогнозирующей системы. Основная задача автоматизированного компьютерного прогнозирования взаимодействия человека и биосферы состоит в том, чтобы обеспечить наиболее оптимальные условия объединения усилий экологов, социологов, экономистов и других специалистов “для оценки и выбора возможных вариантов международных решений”⁵ на междисциплинарном уровне. Известный кибернетик У. Р. Эшби писал: “Ценность системного подхода заключается в том, что он применим для анализа объектов особой сложности, понимание которых с помощью традиционных методов исследования затруднено, а иногда и невозможно. Системный подход, основанный на компьютерах, отвергает смутные интуитивные идеи, извлекаемые из обращения с такими простыми системами, как будильник или велосипед, и дает нам надежду на создание эффективных методов для изучения систем чрезвычайной внутренней сложности и управления ими”⁶.

Само создание систем автоматизированного прогнозирования, отвечающих современным требованиям методов управления, в свою очередь превратилось в одну из важнейших научно-технических проблем, перспективы решения которой непосредственно связаны с организацией междисциплинарных исследовательских программ.

Острее всего необходимость приобретения “нового компаса для научного познания”, новых принципов организации научных исследований обнаружилась в связи с прогнозированием социальных процессов. Сложность предметов исследования, а также условия функционирования в системе управления социальными процессами, где требуются оперативность принятия решений, подлинная всесторонность в учете значимых факторов, - все это не могло не стимулировать продвижение науки в этой области на “порог эры человеческого новаторства”.

Компьютеризация комплексного исследования взаимодействия человека и биосферы - исторический рубеж, которого достигла наука за очень короткий исторический промежуток времени на основе создания математических моделей живой природы. Экология уже оперирует не только простыми динамическими теориями популяций, но и всеми средствами теории динамических систем (уравнения в частных производных, в конечных разностях, интегральные и интегро-дифференциальные уравнения и т.д.). Математические методы проникли в самые разные области теоретической и прикладной экологии: в анализ взаимоотношения видов в сообществе, в исследование процессов миграции, территориального поведения, в анализ потоков вещества и энергии в экосистемах, в изучение проблем сложности и устойчивости сообществ, а также оценок влияния различных антропогенных факторов на природные системы, в исследование проблем оптимального управления природными ресурсами и эксплуатирования популяций и т.д. Компьютеризация привела к конструированию так называемых имитационных моделей взаимодействия человека и биосферы, принципиальная сложность которого требует учета большого числа как биологических, социальных, так и абиотических переменных⁷.

Интегрированные информационно-прогнозирующие системы - “стратегические ресурсы человечества”⁸ - получили наиболее впечатляющее применение, позволив пользователю обращаться к информации о динамических системах в режиме реального времени. Новой информационной технологии экологического прогнозирования уже принадлежит немаловажная заслуга: она “способствовала тому, что за сравнительно короткий исторический промежуток времени глобальные проблемы оказались в поле зрения мировой общественности и стали подлинно общечеловеческими не только по своей сути, но и по признанию, которое они себе завоевали”⁹.

Это, безусловно, важное достижение экологического прогнозирования должно быть дополнено решительным преодолением отмеченного в публикациях ООН недостатка “методологических инструментов... интегрированного аналитического подхода к... формированию и применению адекватной политики и планирования”¹⁰. Ведь лица, принимающие решения, осмысливая проблемы экологической безопасности глобально, должны иметь в своем распоряжении прогнозы локальных мероприятий. А здесь встают задачи, требующие длительной и кропотливой проработки методов принятия рациональных решений, учитывающих объективные условия иерархичности структуры систем управления, информационную ограниченность и специализацию их органов, национальные и региональные особенности в выработке систем критериев в оценке эффективности, трудно обозримое многообразие целевых установок и задач управления и т.д.

Ведущиеся в настоящее время теоретические и прикладные исследования по созданию автоматизированных систем управления и многовариантных методов обоснования принятия решений обеспечивают такую модификацию информационного сервиса, которая создает наиболее комфортабельные условия не только для численного имитационного эксперимента, но и для логической интеграции вариантов достижения поставленных целей, а также для эффективного включения в циклический процесс прогностического обеспечения оптимизации взаимодействия человека и биосферы, развития ноосферы, междисциплинарных групп экспертов и представителей общественности. В этом будущее футурологии.

Каждый крупный регион, представляющий собой территорию с определенными природными условиями и конкретным типом хозяйственного освоения, заслуживает особого рассмотрения с экологической точки зрения. Важность регионального экологического анализа заключается в том, что его результаты имеют большое прикладное значение (проблемы региона “ближе” человеку, нежели проблемы страны, континента или планеты). Помимо этого экологическое состояние регионов в конечном счете определяет и глобальное состояние природных компонентов.

С учетом того, что общее число экологических районов очень велико, а проблемы экологии во многих из них аналогичные, я рассматриваю два наиболее важных типа подобных районов.

Дата добавления: 2014-01-04