Проблемы устойчивости геосфер

Лекция 2. Процессы массопереноса загрязняющих веществ

Современная биосфера адаптирована к существующему климату и его природным флуктуациям. При этом средние характеристики климата Земли, в частности ее среднегодовая температура, обладают удивительным постоянством: средняя температура поверхности Земли составляет 15°С. Среднетемпературные флуктуации не превышают 1 °С за 1000 лет и составляют десятые доли градуса Цельсия за время порядка 100 лет.

Энергия солнечного излучения, поступающего на Землю, составляет около 2* 10 ⁽²¹⁾ Вт. Примерно 28 % этой энергии отражается от атмосферы и земной поверхности. Остальная часть (поглощается атмосферой (2,5*10 ²⁰ ккал/г), океанами и морями (4,4 * 10 ²⁰ ккал/г) и сушей (1,9 * 10 ²⁰ ккал/г). В процессах фотосинтеза в растениях и микроорганизмах в химическую энергию преобразуется около (3 ¸ 6)·10 ¹⁷ ккал/г, т.е. всего 0,03 % падающей на Землю солнечной энергии. Лишь небольшая доля этой энергии используется человеком: около 8 * 10 ¹⁵ ккал/г в качестве топлива и около 4 * 10 ¹⁵ ккал/г в виде пищи. Из приведенных цифр следует, что около ⅓ солнечного излучения отражается в космос, около 1/3 оставшегося излучения поглощается атмосферой и в результате средний поток солнечной энергии, доходящий до поверхности Земли, оказывается уменьшенным примерно в два раза. Около ⅓ остаточной энергий преобразуется поверхностью суши в уходящее в космос тепловое излучение без генерации заметных макроскопических движений. Более ⅓ энергии затрачивается на испарение воды и генерацию турбулентных потоков теплоты в атмосфере и Океане.

Флуктуации температуры Земли на 0,1°С связаны с изменениями потока солнечного излучения на 0,1%. Это означает, что в течение нескольких десятков лет допустимо без ущерба для существующего климата и живых организмов изменение потока энергии в биосферу на величину порядка 100 ТВт. Этот дополнительный приток энергии может быть вызван сжиганием ископаемого топлива, ядерной энергетикой, утилизацией солнечной энергии и т.д.

Современное энергопотребление человека составляет 10 ТВт, и, следовательно, в принципе допустимо увеличение энергопотребления по сравнению с современным уровнем примерно в 10 раз. Таков климатический предел энергопотребления.

Полная биосферная мощность первичной продукции (фотосинтеза) определяется водным режимом на суше и структурой водных сообществ в Океане. На фотосинтез расходуется 100 ТВт солнечного излучения, что находится на пределе мощностей, не изменяющих естественные температурные флуктуации. Это, по-видимому, не случайное совпадение: мощность биосферы достигла максимальной мощности, совместимой с устойчивостью климата. Это означает, что в рамках современного климата полная биосферная мощность увеличена быть не может. Согласно закону сохранения энергии, в рамках стабильного климата человечество может употребить для своих нужд (пища, содержание скота, потребление древесины и т.д.) не более полной мощности всей биосферы — не более 100 ТВт, т.е. примерно на порядок больше по сравнению с существующим уровнем. Таков биологический предел потребления.

Оба указанных предела — климатический и биологический — имеют приписываемое им значение лишь в условиях сохранения биосферы. Поэтому реально существующим для развития человеческой цивилизации пределом является экологический предел. Он связан с поддержанием устойчивости окружающей среды.

Биохимические процессы в живом мире Земли поддерживаются внешней солнечной энергией и сводятся к синтезу и разложению органических веществ. Окружающая среда включает вещества и живые организмы (биоту), с которыми взаимодействует заданный живой организм. При этом под биосферой понимаются биота и окружающая среда в глобальных масштабах. В биосферу включается также и внешняя среда (например, верхние слои атмосферы), в которой нет живых организмов, но которая достаточно интенсивно перемешивается с окружающей биоту средой.

Окружающая среда характеризуется концентрациями химических соединений, потребляемыми живыми организмами. Для организмов, разлагающих органические вещества, важны величины концентрации и формы существования органических веществ и кислорода в почве, воде, воздухе.

Для организмов, синтезирующих органические вещества, существенны концентрации углекислого газа, соединений азота, фосфора и многих других элементов, называемых часто биогенами и входящих в состав живых организмов. Возникает вопрос: являются ли концентрации биогенов в окружающей среде случайными, зависящими лишь от абиогенных геохимических процессов, или же эти концентрации поддерживаются биотой на оптимальном для жизни уровне.

Очевидно, в первом случае биота должна была бы непрерывно приспосабливаться к изменяющейся окружающей среде. Характерный масштаб времени изменения концентрации биогенных веществ за счет геохимических процессов оценивается величиной порядка 100 тыс. лет. За период эволюции жизни на Земле концентрации практически всех биогенов могли бы измениться на несколько порядков и принять значения, при которых существование жизни стало бы невозможным. Следовательно, живые организмы не должны использовать в процессах жизнедеятельности вещества, концентрации которых не могут регулироваться биологическими процессами. Более того, биологически регулируемые процессы и концентрации веществ должны определять также приемлемые для жизни характеристики окружающей среды: температуру, спектральный состав доходящего до поверхности Земли солнечного излучения, режим испарения и выпадения водных осадков на суше и т.д.

Биота не может изменить такие характеристики природы, как поток солнечной радиации за пределами Земли, приливы — отливы, вулканическую деятельностью. Однако неблагоприятные изменения и случайные флуктуации этих характеристик биота может компенсировать путем направленного изменения управляемых ею концентрацией биогенов в окружающей среде.

Воздействие биоты на окружающую среду сводится к синтезу органических веществ из неорганических и к разложению органических веществ на неорганические составляющие, т.е. к изменению соотношения между содержанием органических и неорганических веществ в биосфере. Скорость синтеза органических веществ определяет продукцию, а скорость их разложения – деструкцию.

Биота способна создавать локальные концентрации биогенов в окружающей среде, намного отличающиеся от концентрации во внешней среде, где живые организмы не функционируют, только в том случае, если потоки синтеза и разложения органических веществ, приходящиеся на единицу земной поверхности (продуктивность и деструктивность), превосходят геофизические потоки переноса биогенов.

Естественная биота Земли устроена таким образом, что способна с высочайшей точностью поддерживать пригодное для жизни состояние окружающей среды, регулировать концентрации биогенов в биосфере. Столь огромная величина биологической продукции по-видимому, необходима для быстрого восстановления любых естественных нарушений окружающей среды (катастрофические извержения вулканов, падение крупных метеоритов и т.д.) в кратчайшие сроки.

Но именно огромная мощность, развиваемая биотой Земли, имеет потенциальную опасность быстрого разрушения окружающей среды. Если целостность биоты будет нарушена, окружающая среда может полностью измениться за несколько десятилетий.

Устойчивость биосферы на протяжении всей эволюции определялась действием принципа Ле Шателье, выражавшегося в том, что скорость поглощения углерода биотой должна быть пропорциональна приросту концентрации углерода в окружающей среде по отношению к невозмущенному доиндустриальному состоянию.

Анализ скоростей выбросов (сжигания) ископаемого топлива и накопления углерода в атмосфере показывает, что вплоть до конца 19 века биота суши подчинялась принципу Ле -Шателье. В это время Земля эффективно компенсировала все воздействия человека на биосферу и проблемы загрязнения окружающей среды не возникало. С начала 20 века биота суши перестала поглощать избыток углерода из атмосферы. Это означает, что структура естественной биоты суши оказалась нарушенной в глобальных масштабах.

Дата добавления: 2013-12-14