учебник основы экологии

3.5.1. Техносфера и техносферогенез

Исторически сложившаяся биосфера с момента появления человека как Homo sapiens (человек разумный) стала все сильнее подвергаться негативному влиянию его хозяйственной деятельности. С целью обеспечения своему виду максимального выживания и распространения человек был вынужден пойти по пути техногенного развития, который давал ему неоспоримые преимущества перед любым другим видом живых организмов, не наделенных такой высокой степенью организации нервной системы и, прежде всего, головного мозга. Особенно жесткому воздействию со стороны человеческой деятельности природные комплексы стали подвергаться в последние двести лет, причем степень воздействия на них возрастает с каждым десятилетием.

Для преобразованного человеческой деятельностью мира предложен термин «техносфера», которая может быть определена как область проявления технической деятельности человека. Техносфера возникла в процессе нескольких тысячелетий техногенеза. Техногенез выступает как материальное воплощение истории человечества. Главными слагаемыми техногенеза являются технический прогресс и экономический рост. В ХХ в. техногенез приобрел глобальный характер, способствуя повсеместному преобразованию биосферы в техносферу.

Наиболее характерные черты глобального техногенеза в ХХ веке:

• за 100 лет мировое потребление энергии увеличилось в 14 раз. Суммарное потребление первичных энергоресурсов превысило 380 млрд. т условного топлива, т. е. более 10²²Дж. С 1953 по 1972 г. ежегодный прирост энергопотребления был равен приросту валового мирового продукта и составлял 4,5%. С 1950 по 1985 г. среднее душевое потребление энергоресурсов удвоилось и достигло 68 ГДж/год. Это значит, что мировая энергетика росла вдвое быстрее, чем численность населения. На протяжении следующих 10 лет душевое потребление росло медленнее – до 71 ГДж в 1995 г.;

• в структуре топливного баланса большинства стран мира произошел переход от преимущественного использования угля и дров к преобладающему использованию углеводородного сырья – нефти и газа (до 65%), а также к заметному вкладу гидро- и ядерной энергетики (суммарно до 9%). С 1950 по 1995 г. в 2 раза возросло преобразование топлива в электроэнергию. Среднее душевое потребление электроэнергии достигло 2 400 кВт•ч/год;

• многократно увеличилась добыча и переработка минеральных ресурсов – руд и нерудных материалов. Так, производство черных металлов возросло за столетие в 8 раз. Еще интенсивнее был рост производства цветных металлов, в основном за счет быстрого наращивания выплавки алюминия. С 1940 г. началась и стремительно выросла промышленная добыча урана. Производство цемента за 90 лет ХХ в. выросло практически с нуля до 1 млрд. т/год;

• в ХХ в. значительно возрос объем и изменилась структура машиностроения. Очень весомую долю ее составила военная техника. Появились и получили быстрое развитие такие отрасли, как производство средств связи, приборостроение, радиотехника, электроника, вычислительная техника и др. По сравнению с началом века тысячекратно увеличилось количество выпускаемых самодвижущихся транспортных средств;

• значительно интенсифицировалась химизация всех отраслей хозяйственной деятельности. За последние 50 лет выпущено более 6 млрд. т минеральных удобрений, во много раз выросло производство пластмасс, синтетических волокон, моющих и иных синтетических средств, в том числе эффективных взрывчатых и отравляющих веществ, пестицидов, лекарственных препаратов;

• развитие военной промышленности практически устранило географические ограничения в применении военной техники. Космос, атмосфера, вода и подводное пространство, земная поверхность от северного до южного полюса стали доступными для ведения боевых действий. Появились принципиально новые виды оружия массового поражения на качественно иных физических принципах, которые создают непосредственную угрозу выживанию человека в термоядерную эпоху;

• появление нового, несвойственного биосфере элемента – техновещества. На суше техновещество соотносится с биовеществом следующим образом:

Биовещество, т/год

Техновещество, т/год

Биомасса – 10¹²

Техномасса – 10¹³-10¹⁴

Биопродукция – 10¹¹

Технопродукция – 10¹¹-10¹²

Техновещество обладает огромной геологической активностью и очень быстро изменяет облик планеты. Техновещество расходует потенциальную энергию ныне существующей биосферы примерно в 10 раз быстрее, чем она может быть аккумулирована всем современным живым веществом. Поэтому разрушительная функция техновещества намного превосходит все его созидательные качества.

За год мировой экономикой изымается из природной среды 120 Гт минерального сырья, ископаемых топлив и биомассы, из которых только 9 Гт (7,5%) преобразуется в материальную продукцию в процессе производства. Более 80% этого количества природных ресурсов вновь возвращается в основные фонды производства. Только 1,6 Гт составляют личное потребление человечества, причем 2/3 этой массы относится к общему потреблению продуктов питания. Из окружающей среды человечество потребляет 3,6 Гт питьевой воды и 1,2 Гт кислорода в год. В атмосферу возвращается 1,6 Гт выдыхаемых углекислого газа и паров воды – при этом выделяется порядка 18 ЭДж теплоты. В водоемы и земную поверхность от жизнедеятельности людей поступает 4 Гт жидких и 0,8 Гт твердых отходов. Материальный нетто-баланс человечества как биологического вида невероятно велик, но в целом почти вписывается в глобальный биотический круговорот и определяет лишь часть современных экологических проблем (рис.3.9).

Рис. 3.9 Схема глобального антропогенного материального баланса

Наиболее серьезные проблемы связаны с потреблением биоресурсов, технической энергетикой и промышленным производством. Ежегодное изъятие не менее 10 Гт сухого вещества биомассы в виде сельскохозяйственной продукции, древесины и морепродуктов составляет более 7% продукции фотосинтеза на суше. Но, кроме этого, за счет антропогенного уменьшения биомассы и продуктивности естественных экосистем, замещения их агроценозами, вырубки лесов, опустынивания, техногенной деградации и т.п. человек косвенно переводит в антропогенный канал еще 27-30% первичной продукции экосистем суши, в целом снижая продуктивность земной биосферы примерно на 12%. Именно этот факт расценивается как самое главное вмешательство человечества в природные процессы.

В добывающей и перерабатывающей промышленности мира за год образуется более 100 Гт твердых и жидких отходов; из них около 15 Гт попадает со стоками в водоемы, а остальное количество – 90 Гт/год добавляется к отвалам пустой породы, золо- и шлакоотвалам, к другим хранилищам и захоронениям промышленных отходов, к свалкам.

Сжигание 12 Гт ископаемого топлива, сжигание и биологическое окисление более 7 Гт изымаемой растительной биомассы и другие производственные окислительные процессы отнесены в балансе к массообмену в атмосфере. Они сопряжены с потреблением 40 Гт кислорода и возвращением в атмосферу 52 Гт углекислого газа и других оксидов. Вместе с ними в воздух попадают продукты неполного сгорания, различные аэрозоли, соли, а также значительная масса разнообразных летучих органических веществ, выделяющихся при производственных процессах и работе транспорта. Общая масса этих примесей достигает 1 Гт в год. Одновременно в среду выделяется более 530 ЭДж техногенной теплоты.

Важным отличием техногенного круговорота вещества от биотического является то, что он существенно разомкнут в количественном и качественном отношении. Своей разомкнутостью техногенный круговорот нарушает необходимую высокую степень замкнутости биотического круговорота вещества и движения энергии, которая выработана в течение длительной эволюции органического мира, и является важнейшим условием существования биосферы. Нарушение биосферного равновесия и является основной причиной современного глобального экологического кризиса на планете.

О степени разомкнутости техногенного круговорота можно судить по его вмешательству в глобальный круговорот углерода (см. 3.4.3.1, рис. 3.4). Непосредственная техногенная эмиссия СО₂ в атмосферу составляет 30 Гт/год. К этому количеству добавляется еще по меньшей мере 3,5 Гт СО₂, выделяющегося в результате изъятия фитомассы и эрозии почвы. Кроме этого, судя по массе кислот, образующихся из техногенных оксидов серы и азота и выпадающих на землю в виде кислотных дождей, вытесняемый ими СО₂ из карбонатов и органики почвы дает еще минимум 1,5 Гт углерода. Таким образом, в результате непосредственного и косвенного вмешательства в природный круговорот углерода общее количество СО₂, ежегодно выбрасываемого в атмосферу, достигло 35 Гт и на 10% увеличило планетарный обмен углерода.

Казалось бы, при очень высокой замкнутости биосферного круговорота углерода и огромной буферной емкости биосферы и океана по связыванию атмосферного избытка СО₂ это увеличение не должно приводить к нарушению равновесия. Более того, можно было бы ожидать улучшения углеродного питания растений и повышения их продуктивности. Но в действительности содержание СО₂ в атмосфере на протяжении последних десятилетий неуклонно увеличивается. Следовательно, буферные системы биосферы и океана не справляются с регулированием равновесия потоков СО₂. Это можно объяснить снижением ассимиляционного потенциала земной флоры (в основном из-за быстрого сокращения площади лесов) и значительным загрязнением суши и поверхности океана.

Нарастание концентрации СО₂ в атмосфере вместе с другими техногенными газами усиливает парниковый эффект, т.е. поглощение нижним слоем атмосферы инфракрасного излучения падающей на землю солнечной радиации. Это приводит к некоторому повышению средней температуры атмосферы, гидросферы и поверхности земли – так называемому глобальному потеплению.^{^*} За последние 30 лет для нижних слоев атмосферы и поверхности суши оно составило не менее 0,6°, что соответствует прибавке колоссального количества энергии. Повышение температуры способствует дополнительному выделению углекислого газа из воды, почвенной влаги, тающих льдов, отступающей вечной мерзлоты, поскольку растворимость СО₂, в воде заметно снижается с повышением температуры. Кроме этого, техногенные кислотные осадки, помимо прямого негативного действия на биоту, вытесняют СО₂ из карбонатов почвы, вод и грунтов. Возник порочный круг самоусиления парникового эффекта.

Таким образом, современная техносфера не только вытесняет и замещает биосферу, но и нарушает средорегулирующую функцию биосферы, что еще опаснее. Эта опасность усугубляется тем, что техносфера не может существовать без биосферы, так как в огромной мере пользуется ее средой и ее ресурсами.

Особенностью техносферы является то, что область жизни в ней постоянно подвергается разнообразным и порой чрезвычайным по мощности залповым воздействиям. В начале эволюции техносферы эти воздействия были направлены практически полностью на живое вещество с целью максимально возможного обеспечения человека пищевыми ресурсами, т. е. человек как бы навязывал отдельным видам особый техногенный ритм жизнедеятельности. В результате многие виды животных и растений попросту исчезли, выпали из продолжающейся эволюции биосферы. С момента перехода к искусственному воспроизведению пищевых ресурсов (скотоводство и земледелие) человек начал вовлекать в сферу своих экономических интересов другие природные ресурсы – полезные ископаемые, воду и пр. С каждым десятилетием этот процесс все ускоряется, в связи с этим ускоряется и значительно изменяется интенсивность природных процессов и явлений. В результате этого биосфера не просто преобразовалась, она изменила свою пространственно-временную структуру и энергетическую сущность, превратившись в область активной технической деятельности, или в техносферу (табл. 3.3).

Как и биосфера, техносфера функционирует по определенным законам. К наиболее общим законам техносферы относятся уравнения баланса массы, законы сохранения центра масс, количества движения, момента количества движения, энергии и пр., справедливые при определенных условиях для любых материальных тел и технологических процессов, независимо от их структуры, состояния и химического состава. Эти уравнения подтверждены огромным количеством экспериментов.

Таблица 3.3. Рост техносферы и потери биосферы в ХХ веке

Показатели	Начало века	Конец века
Валовый мировой продукт, млрд. дол./год	60	25 000
Энергетическая мощность техносферы, ТВт	1	14
Численность населения, млрд. человек	1,6	6,0
Потребление пресной воды, км³/год	360	5 000
Потребление первичной продукции биоты, %	1	12
Площадь лесов, млн км²	57,5	49,0
Рост площади пустынь, млн км²	–	1,7
Сокращение числа биологических видов, %	–	20
Риск техногенных поражений людей, %	0,5	2,5

Процессы в техносфере носят автокаталитический характер: совершая небольшое воздействие на систему, мы можем породить цепную реакцию следствий, эффект которых будет совершенно несоизмерим с первоначальным воздействием. Кроме того, общий результат в техносфере не сводится к сумме отдельных эффектов (явление синергизма).

Другими словами, мир техники, встраиваемый в биосферу, целенаправленно создававшийся человечеством, стал проявлять себя как феномен, подчиняющийся объективным, т.е. не зависящим от воли людей законам. Цивилизация, ставящая определенные практические цели и достигающая их за счет создания искусственного мира техники, не может предвидеть всех отдаленных последствий.

Содержание