Всё для Учёбы — студенческий файлообменник
1 монета
docx

Студенческий документ № 020455 из ГЭИ

Лекция №1

Тема: Предмет глобальной экологии.

Цель лекции: дать студентам понятие о глобальной экологии и ее роли в решении глобальных экологических проблем.

План лекции:

1. Предмет, цели и задачи глобальной экологии.

2. Этапы формирования глобальной экологии.

Основные понятия по теме: глобальная экология, техносфера, аутэколгия, демэкология, синэкология, биосфера.

1. Предмет, цели и задачи глобальной экологии.

Глобальная экология изучает биосферу в целом, т.е. экологическую систему, охватывающую земной шар. К числу главных задач современной глобальной экологии относятся изучение антропогенных изменений в среде обитания и обоснование методов ее сохранения и улучшения в интересах человечества. В связи с этим важнейшее значение приобретает прогнозирование изменений экологической ситуации в будущем и на этой основе разработка на ближайшие годы и на отдаленную перспективу мероприятий, направленных на сохранение и улучшение среды обитания людей, на предотвращение нежелательных изменений биосферы.

Экологию по размерам объектов изучения делят на географическую или ландшафтную экологию, объектами изучения которой являются крупные геосистемы, географические процессы с участием живого и их средой; глобальную экологию-учение о биосфере Земли.

Общая экология, которая иногда именуется глобальной экологией, мегаэкологией, панэкологией, являет собой научное направление, рассматривающее определенную и необходимую для живого организма или фактора среды (в рассмотрении это так называемый центральный объект или объект изучения) совокупность природных и социальных явлений, предметов, организмов, оказывающих на них большое воздействие. Это достаточно громоздкое определение тем не менее позволяет в рамках общей экологии не ограничиваться интересами лишь живых организмов, но и анализировать "интересы" неживой составляющей среды, подвергающейся воздействию живого организма. Некоторые специалисты при трактовке предмета общей экологии считают, что им является изучение взаимоотношений и закономерностей на надорганизменном уровне организации, т. е. характерных как для прокариот, грибов и растений, так и для животных, в том числе и для человека как представителя царства животных. Несмотря на некоторые разночтения в подходе, общая экология являет собой науку о принципах взаимоотношений между "живым" и "неживым" на Земле.

Помимо глобальной экологии важнейшими направлениями экологической науки становятся экология человека и социальная экология.

2. Этапы формирования глобальной экологии.

Развитие экологии можно проследить на основе изменения, расширения ее предмета. Биологическая экология рассматривает условия существования живых организмов и взаимосвязи между организмами и средой, в которой они обитают. Глобальная экология призвана исследовать эволюцию биосферы в связи с влиянием на нее антропогенных, космических, геофизических и других воздействий. Предметом исследования экологии человека являются вопросы сохранения и развития здоровья людей с учетом связей человека с окружающей его природной и социальной средой. Социальная экология изучает систему "природа - обществом, перспективы ее устойчивого развития, гармонизации. Экология впервые включает в свое содержание вопросы, связанные с жизнедеятельностью людей. И тем самым становится интегративной, социоестественной наукой.

С середины XX в. экологию начинают рассматривать как учение об общих закономерностях взаимоотношения природы и общества, условно выделяя из общей экологии социальную и правовую. Если общая экология занимается вопросами глобальной экологии, экологией человека и инженерной экологией, то социальная экология включает экологическую экономику, экологическую футурологию, экологию народонаселения и экологическую урбанистку. Правовая экология представляет собой совокупность правовых норм, направленных на решение экологических задач.

В "биологическую" экологию включают экологии: геохимическую, животных, историческую, ландшафтную, микроорганизмов, общую, популяционную, растений и химическую (близкую к биогеохимии). Глобальная экология (наука о экосфере Земли) так же, как учение о биосфере, далеко выходит за рамки "биологической" экологии в область геологии, географии н общественных наук.

Н.Ф. Реймерс обозначил глобальную экологию как учение об экосфере планеты.

Учение о биосфере, или глобальная экология (изучает роль живых организмов и продуктов их жизнедеятельности в создании биосферы и ее функционирования).

Соотношение с философией, экологией, социальной экологией, теорией права, социологией обозначается либо через взаимопроникновение идей, перенимание методов исследования, подкрепление выводов и аргументов, либо через систему соотношений используемых терминов, принципов. В любом случае оно очень сложно и отличается многообразием связей. В. В. Петров рассматривал соотношение экологического права с такими отраслями знания, как общая экология и производные от нее глобальная экология, экология человека и инженерная экология, впоследствии приобретающие статус социальной экологии. Социальную экологию он подразделял на экологические экономику, футурологию и урбанистику, а также экологию народонаселения и сюда же относил правовую экологию. А. С. Шестерюк обращает внимание на связь экологического права с социальной философией, теорией эволюции, концепцией биосферы, подчеркивая значение экологического права как синтезирующей науки.

В целом современная всеобщая, или большая, экология - это научное направление, рассматривающее некую значимую совокупность природных и отчасти социальных (для человека) явлений и предметов. В настоящее время экология разделилась на ряд научных отраслей и дисциплин, подчас далеких от первоначального понимания экологии как биологической науки (биоэкологии) об отношениях живых организмов с окружающей средой, хотя в основе всех современных направлений экологии лежат фундаментальные идеи биоэкологии. В зависимости от размеров объектов изучения экологию делят на аутоэкологию (организм и его среда), популяционную экологию (популяция и ее среда), синэкологию (биохимическое сообщество, экосистема и их среда), географическую или ландшафтную экологию (крупные геосистемы, географические процессы с участием живого и их среда) и глобальную экологию (мегаэкология, учение о биосфере Земли).

В целом современная всеобщая, или "большая" экология (глобальная экология, мегаэкология, панэкология) - научное направление, рассматривающее некую значимую для центрального члена анализа (субъекта, живого объекта) совокупность природных и отчасти социальных (для человека) явлений и предметов с точки зрения интересов этого центрального субъекта или живого объекта.[ ...]

Одна из наиболее острых химических проблем глобальной экологии связана с опасностью антропогенного воздействия на химические процессы в стратосфере, чреватые уменьшением в ней общего содержания озона (ОСО). Стратосферный озон регулирует поток УФ-квантов, задерживая наиболее опасную часть радиации Солнца с длинами волн менее 285 нм и значительно ослабляя излучение в УФ-Б-диапазоне (285-315 нм). Кроме того, экзотермическое разложение озона приводит к нагреванию стратосферы, возникновению инверсионного слоя и тем самым препятствует выхолаживанию нижней атмосферы за счет конвективного переноса теплоты.

Изучением биосферы как экосферы занимается глобальная экология. Экосфера - это глобальная экосистема, "состав, структура и энергия которой определяются и контролируются планетарной совокупностью живых организмов - биотой" (Акимова, Хаскин, 2000).

Человечество живет в едином экологическом пространстве. Экология и экономика все больше переплетаются между собой на местном, национальном и глобальном уровнях -формируя сложный комплекс причин и следствий, приводя к возникновению новых связей между глобальной экономикой и глобальной экологией. Если в прошлом тревогу вызывали последствия экономического роста для окружающей среды, то теперь последствия экологического стресса (ухудшение состояния атмосферы, лесов, качества почв, нарушение водного режима и др.) для экономического развития в будущем.

Разрушение озонового слоя связано и с другими проблемами глобальной экологии. В частности, повышение интенсивности ультрафиолетового облучения поверхности Земли может повлиять и на интенсивность эволюционных, процессов. Мутагенная активность УФ-излучения влияет ведь не только на человека. Все виды наземных растений и животные, ведущие дневной образ жизни, подвергаются его воздействию. Повышение частоты мутаций не проходит бесследно для видов, входящих в состав наземных экосистем. Для видов многочисленных повышение частоты мутаций может, ценой гибели особей, получивших мутации летальные или сублетальные, создать дополнительные возможности приспособления и размножения генетических линий, получивших мутации, случайно оказавшиеся положительными. Однако множество видов в современной ситуации уже находятся на грани исчезновения или снижают численность до опасного уровня. Поскольку абсолютное большинство мутаций нарушают приспособленность видов к условиям их существования и тем самым снижают выживаемость, вероятность исчезновения для многих видов может повыситься. Это обострит проблему сохранения биоразнообразия.

Еще менее ясно положение в области биологического сектора глобальной экологии. Живое вещество обладает определенным единством, нарушение которого вызывает компенсаторные реакции. Яснее всего они проявляются в освоении организмами новых экологических ниш,- грубо говоря, занятии ими новых позиций в биологической борьбе всех против всех (разд. 3.8.2). Практически мы ощущаем такие перестройки в виде появления новых массовых вредителей и возбудителей болезней растений, животных и человека. Собственно, явление сверхразмножения вообще есть результат нарушения экологического равновесия, дисбаланса в природной системе: в "дикой" природе вредителей нет.

Центральное место в жизни человека, равно как и в проблеме "глобальной экологии", занимает урбанизированная среда, которая появляется на определенном историческом этапе освоения людьми территории. Урбанизированная территория становится конкретным полем человеческих потребностей.

Для обозначения всего этого наиболее подходит термин техносфера - глобальная совокупность орудий, объектов и продуктов человеческого производства. Более подробно техносфера будет охарактеризована позднее, в главе 5. В планетарном масштабе техносфера имеет общую среду с биосферой и множеством процессов взаимодействует с ней. Вероятно, можно дать и общее название системе этого взаимодействия. Перебрав возможные варианты, мы предпочли новую трактовку понятия экосферы, имея в виду именно современное ее состояние, которое в большой мере определяется вмешательством человеческой деятельности. Используя этот ранее заимствовонный термин, мы теперь обозначаем им единую глобальную систему взаимодействия современной биосферы и техносферы. Недаром Н.Ф.Реймерс (1994) обозначил глобальную экологию как экосферологию: глобальная экология выходит за рамки биосферы, изучая всю экосферу планеты как космического тела .

Проблемы антропогенных отходов относятся к числу важнейших проблем глобальной экологии. В "Повестке дня на XXI век", принятой Конференцией ООН по окружающей среде и развитию в Рио-де-Жанейро, поставлена задача к 2000 году снизить количество опасных отходов на 30%. Однако, судя по материалам конференции "Рио-92 + 5" (1997 г.), эта задача вряд ли будет выполнена: в поступившей от 26 стран информации снижение суммарного количества накопленных высокотоксичных отходов составило за 4 года только 5,5%.

Объединившись в силу логики собственного развития с учением о биосфере, экология вполне естественно включила в сферу своих интересов проблемы воздействия человеческой деятельности не только на отдельные экосистемы, но и на биосферу в целом. Так сложился раздел экологии, ставший фактически самостоятельной наукой, которую часто называют глобальной экологией. Основные проблемы глобальной экологии, которые будут рассматриваться далее, это, по существу, проблемы выживания человечества в зависимости от его способности взять под контроль развитие биосферных процессов.

Таким образом, по размерам объектов изучения выделяют следующие разделы экологии: молекулярная экология изучает взаимодействие биомолекул с окружающей средой; экология клеток и тканей изучает взаимодействие клеток и тканей с окружающей средой; экология особей (аутоэкология, факториальная экология) изучает взаимодействие организма с окружающей средой; экология популяций (демэкология) изучает взаимодействие между особями в популяции и популяций с окружающей средой; экология сообществ (синэкология) изучает взаимодействие между популяциями в сообществе и сообществ с окружающей средой; биогеоценология изучает биогеоценозы; учение о биосфере (глобальная экология) изучает биосферу Земли.

Ряд организаций (внутри и вне системы ООН) выполняют научные исследования по глобальным экологическим проблемам (истощению озонового слоя, глобальному потеплению климата, сохранению биологических видов и др.). Опираясь на результаты их исследований, Банк ведет свои разработки в данных областях. Также Банк обобщает преобладающие точки зрения в его собственных экологических, экономических, отраслевых программах и политике, с целью минимизировать потенциальные негативные воздействия на качество окружающей среды в глобальном масштабе. Банк поощряет рассмотрение таких вопросов при подготовке экологических оценок проектов, там где это уместно и осуществимо. Экологическим департаментом совместно с региональными подразделениями по экологии будет подготовлено руководство по вопросам глобальной экологии.

В последнее время в специальной литературе комплекс наук, призванных изучать глобальные проблемы взаимоотношения чело века и природы, многие исследователи делают попытку объединить под общим названием "глобальная экология" или "экология человека". Это понятие, очищенное от биологизаторских интерпретаций, в настоящее время встречается все чаще и чаще.

В настоящее время одной из актуальных задач науки является изучение возможных глобальных сдвигов в биосфере под воздействием различных факторов. Это становится предметом глобальной экологии, которая призвана исследовать влияние на биосферу космических воздействий, процессов, происходящих в недрах Земли и человеческой деятельности.

Экологическими проблемами Земли как планеты занимается интенсивно развивающаяся глобальная экология, основным объектом изучения которой является биосфера как глобальная экосистема. В настоящее время появились и такие специальные дисциплины, как социальная экология, изучающая взаимоотношения в системе "человеческое общество - природа", и ее часть - экология человека (антропоэкология), в которой рассматривается взаимодействие человека как биосоциального существах окружающим миром.

На основании экологического подхода можно провести определенную классификацию направлений экологии: организм, популяция, сообщество -> биологическая экология (экология организма, популяции, сообщества); биосфера -" экология биосферы (глобальная экология); человек -> экология человека; общество -" экология общества (социальная экология).

Правила (законы) биоэкологии во многом способствовали выработке и формулированию основных закономерностей глобальной экологии.[ ...]

Объектами экологических исследований могут быть отдельные виды (аутоэкология), популяции вида (популяционная экология), сообщества организмов (синэкология, или биоценология, геоботаника), биосфера (глобальная экология). При изучении таксономических групп выделяют экологию растений, грибов, насекомых, рыб, птиц, млекопитающих и т.д. Недавно сформировалось особое направление - экология человека. Однако в этой научной дисциплине важнейшее место занимают социальные проблемы и соответственно применяют особые методы исследований, поэтому она не может быть отнесена только к биологическим наукам.

Биогеоценозы наземные и водные (все материки, моря и океаны) формируют биосферу, представляющую собой общеземную (глобальную) экологическую систему. Биосферу изучает глобальная экология.

Столь большие различия в площади зон указывают, при прочих равных условиях, на относительно более значительную для глобальной экологии роль процессов в тропической зоне и наименьшую - в полярной зоне.

Постепенно в мировой науке стало складываться более или менее четкое разделение проблем экологического кризиса между собственно экологией как по преимуществу биологической наукой и комплексом "наук об окружающей среде", куда вошли по преимуществу проблемы, более или менее прямо связанные со здоровьем человека и качеством жизни. В российской науке это разделение не стало общепринятым, поскольку отнесение всего этого комплекса проблем к "экологии" стало уже достаточно привычным. Вместо этого у нас стали формироваться такие области знания, как "глобальная экология", "социальная экология" и другие, более или менее обоснованно претендующие на некоторую степень самостоятельности. Может быть, такое дробление чисто технически полезно, важно только, работая в любой из этих областей науки, постоянно иметь в виду искусственность этого деления и ясно видеть взаимосвязь и взаимодействие всех процессов, происходящих как в природных экосистемах, так и в системах социальных и "социоэкологических".

Выявились новые точки соприкосновения почвоведения с конструктивным направлением в географии, с учением о биосфере и с биогеохимией, с глобальной экологией и современными концепциями охраны природной среды. Принципиально изменились аспекты международного сотрудничества, которое в области почвоведения теперь осуществляется под эгидой Организации Объединенных Наций - в таких ее учреждениях, как ЮНЕСКО и ФАО. При их поддержке интернациональный коллектив почвоведов завершил составление мировой почвенной карты в масштабе 1:5 млн. Руководителями работы явились португалец Д. Брамао и бельгиец Р. Дюдаль; активную роль в этом играл советский почвовед В. А. Ковда, много лет служивший в аппарате ЮНЕСКО. Эта организация совместно с ФАО курирует международные усилия по борьбе с аридизацией ряда районов Африки и другие международные программы. В 1966 г. в Гронингене (Нидерланды) был создан Международный почвенный музей, коллекции которого в 1972 г. насчитывали 3 тыс. монолитов из 21 страны (International soil museum, 1972).

Вмешательство человеческой деятельности в обмен веществ и энергии, происходящий в конкретных экоев-стемах, в природные биогеохимические циклы, суммируясь, приводит к глобальным сдвигам. Их масштабы становятся угрожающими, и изучение путей развития нарушений биосферных процессов, прогноз их динамики, что впервые было сделано в моделях Римского клуба, разработка методов предотвращения нарушений составляют основное содержание глобальной экологии.

Такое научное рассмотрение концепции взаимодействия общества с природным комплексом Земли как средой его жизни привело к возникновению научного направления, называемого глобальной экологией. Проблема глобальной экологии - это прежде всего проблема отношений человечества с биосферой - с конкретной частью природы, той планетарной природной системы, внутри которой общество возникло и развивалось в органическом единстве как со средой своего обитания и за пределы которой оно ныне шагнуло. Глобальная экология выступает как общая теоретическая основа для изучения конкретных взаимодействий человечества с отдельными элементами или сторонами природного комплекса биосферы: например, изучается солнечная радиация как главная энергетическая основа всех биосферных процессов, или исследуется глобальная биологическая продуктивность суши и вод мирового океана в связи с ростом народонаселения.

Так как оценки касаются столь важных для человечества объектов как биосфера и ее ресурсы, к ним следует подходить с предельной осмотрительностью. В данном случае лучше проявить максимальную осторожность, чем совершить непоправимую ошибку. В глобальной экологии человек выступает как фронтовой сапер, ошибающийся только лишь один раз...

В июне 1992 г. в Рио-де-Жанейро состоялась Конференция ООН по окружающей среде и развитию (КОСР-92). В ней приняли участие главы, члены правительств и эксперты 179 государств, а также представители многих неправительственных организаций, научных и деловых кругов. Проблемы глобальной экологии на Конференции зазвучали на языке актуальной международной политики.

С середины столетия все большее значение приобретают исследования в области биосферологии, начатые В .И. Вернадским (1863-1945) еще в 20-х годах. Одновременно общеэкологические подходы распространяются на эко-лоппо человека и факторы антропогенных воздействий. Ярко выступает зависимость экологического состояния различных стран и регионов планеты от развития экономики и структуры производства. Быстро растет дочерняя об ласть экологии - наука об окружающей человека среде с ее прикладными отраслями. Экология оказывается в центре острых общечеловеческих проблем. Это подтвердили в 60-х - начале 70-х годов исследования В. А. Ковды по техногенному воздействию- на земельные ресурсы, разработки Н. Н Моисеева пб модели "ядерной зимы", труды М. И. Будыко по техногенным воздействиям на климат и по глобальной экологии. Большую роль сыграли доклады Римского клуба - коллектива авторитетных специалистов по системной динамике и глобальному моделированию (Дж . Форрестер, Д. Медоуз, М. Месарович, Э. Пестель), а также представительная Конференция ООН по окружающей среде и развитию в Стокгольме в 1972 г.. Ученые указывали на угрожающие последствия неограниченного антропогенного воздействия на биосферу планеты и на тесную связь экологических, экономических и социальных проблем.

Пятое - седьмое десятилетие XX в. внесло в почвоведение много принципиально нового: весь мир теперь охвачен почвенными исследованиями разного аспекта, неизмеримо возросло их практическое значение, составлены достаточно подробные мировые почвенные карты, достиг больших успехов системный подход к почве и ее использованию, в почвоведение впервые внедрились математические, а также многие новые физические и химические методы. Почвы заняли прочное место в глобальной экологии и учении о биосфере, возникли новые направления, такие, как почвенная зоология, учение о микроэлементах почвы.

Произошло и смешение понятий "сообщество" и "биоценоз". Первое объединение может состоять из одних продуцентов (фитоценоз), кон-сументов (зооценоз) или микроорганизмов (микробиоценоз). Биоценоз же в классическом понимании - системно-функциональная совокупность продуцентов, консументов и редуцентов, т. е. экологически многокомпонентное образование (таков даже биоценоз мышиной норы или болотной кочки). Видимо, термин "синэкология" целесообразно сохранить за экологией сообществ, а экологию биоценозов называть биоценологией. Учение о биосфере - биосферология, а учение о среде формирования биосферы - глобальная экология, или экосферология.

Экологизация энергетики в рамках преобразования ее топливных ресурсов содержит множество резервов и принципиальных технических решений: от общего сокращения объема энергетики на основе всех форм экономии энергии до изменения структуры использования топлив и технологий преобразования энергии. Сейчас уже и энергетикам становится ясно, что главным мотивом вынужденной экологизации, энергетики является не столько близость исчерпания топливных ресурсов, сколько требования глобальной экологии.

Контрольные вопросы:

1. Что такое глобальная экология?

2. Назовите основные задачи глобальной экологии?

3. Назовите основные этапы формирования глобальной экологии.

Лекция №2

Тема: Биосфера и ее структура

Цель лекции: дать студентам понятие о биосфере, как тесно взаимосвязанной единой экологической системе земного шара, характеризующейся целостностью и относительной устойчивостью;

План лекции:

1. Первые представления о биосфере.

2. Подходы к понятию "биосфера".

3. Соотношение понятий "биосфера" и "географическая оболочка".

4. Биосфера как целостная система: строение и границы.

Основные понятия по теме: биосфера, географическая оболочка.

Термин "биосфера" был предложен и введен в геологию австрийским ученым и палеонтологом Э. Зюссом (1875 г.). Хотя ранее Ж.Б. Ламарк в биологии говорил о специфической оболочке, населенной живыми организмами - "области жизни". Современное учение о биосфере разработал академик Вернадский В.И.

Биосфера - это своеобразная оболочка Земли, содержащая всю совокупность живых организмов и ту часть вещества планеты, которая находится в непрерывном обмене с этими организмами

Земля сформировалась как планета ~4,7 млрд. лет назад. Масса Земли составляет 6•1021 т, объем - 1,083•1012 км3, площадь поверхности 510,2•106 км2.

Наша планета состоит из концентрических оболочек (геосфер) - внутренних и внешних:

- внутренние оболочки - это ядро, мантия.

- внешние оболочки - это литосфера, гидросфера, атмосфера, биосфера.

Биосфера включает в себя следующие части:

1. аэробиосфера - нижняя часть атмосферы до высоты 25-30 км (ограничена озоновым слоем);

2. гидробиосфера - гидросфера, совокупность всех вод Земли;

3. литобиосфера - верхние горизонты твердой земной оболочки литосферы (до глубины 3 км).

В пределах этих частей биосферы выделяют две категории слоев:

1. эубиосфера - собственно биосфера, где живое вещество локализовано постоянно;

2. слои, в которые живые организмы попадают случайно:

- парабиосфера (слой, расположенный выше эубиосферы);

- метабиосфера (слой, расположенный ниже биосферы).

Верхней границей биосферы является озоновый экран - слой атмосферы, расположенный на разной высоте от поверхности Земли и имеющий наибольшую плотность (концентрацию) озона на высоте 22-26 км.

Высота озонового слоя у полюсов оценивается в 7-8 км, у экватора - 17-18 км, максимальная высота, где встречается озон, равна 45-50 км. Озоновый слой является преградой для мощного УФ-излучения Солнца, губительного для всего живого. Выше озонового слоя существование жизни без специальной защиты невозможно.

Если бы можно было извлечь весь озон, находящийся в атмосфере, и сжать под нормальным давлением, то получился бы слой, покрывающий поверхность Земли с шириной всего 3 мм. Для сравнения, вся сжатая под нормальным давлением атмосфера составляла бы слой в 8 км.

Нижняя граница биосферы (метабиосфера) не опускается ниже 10-15 км. Обусловлена эта величина глубиной гидросферы и повышением температуры в литосфере: на глубине 3-3,5 км температура в земных недрах достигает 100 °С.

С учетом протяженности всех названных слоев мощность биосферы по вертикали оценивается в 33-35 км. Хотя реально границы распространения живых организмов намного уже (эубиосфера - 12-17 км).

Категории веществ в биосфере

Согласно учению Вернадского В.И. биосфера состоит из нескольких компонентов.

1. Живое вещество - совокупность живых организмов, населяющих планету Земля. Живое вещество или биотические компоненты биосферы включают в себя растения, животных и микроорганизмов. Суммарная масса живых организмов (биомасса) оценивается в ~ 2,42 •1012 т, ~ 97 % которых составляют растения, ~ 3 % - животные.

Если вещество распределить по всей поверхности планеты, то получится слой всего в полтора сантиметра. Эта "пленка жизни" составляет менее 10-6 массы других оболочек Земли и является "одной из самых могущественных геохимических сил нашей планеты".

2. Косное вещество - неживое вещество, образованное процессами, в которых живое вещество участия не принимало (магматические породы).

3. Биокосное вещество - структура из живого и косного вещества, которая создается одновременно косными процессами и живыми организмами. Примером является почва, состоящая на 93 % из минеральных, косных веществ, на 7 % - из живых и биогенных веществ.

4. Биогенное вещество - вещество, которое возникло в результате разложения остатков живых организмов, но еще не полностью минерализовано (нефть, торф, уголь и др.)

5. Радиоактивное вещество

6. Вещество космического происхождения (метеориты)

7. Рассеянные атомы

Все эти семь различных категорий веществ геологически связаны между собой.

Лекция №3

Тема: Преобразование солнечной радиации

Составляющие энергетического баланса. Схема преобразования солнечной энергии. Радиационный баланс земной поверхности. Радиационный баланс системы "Земля - атмосфера". Энергетический баланс земной поверхности и системы "Земля - атмосфера". Географическое распределение составляющих энергетического баланса. Мировые карты: суммарная солнечная радиация, радиационный баланс земной поверхности, затраты тепла на испарение, турбулентный поток тепла от земной поверхности к атмосфере, поток тепла от поверхности океанов к нижележащим слоям воды. Среднеширотные величины составляющих энергетического баланса поверхности Земли. Энергетический баланс континентов и океанов. Энергетический баланс Земли.

Геосфера-биосфера - это поверхностно-активная система, образовавшаяся на контакте Земли и Космоса, характеризующаяся реакционно-пограничной анизотропией. Она включает два основных типа объектов: относительно однородные тела (твердые, жидкие и газообразные) и разделяющие их контактные (пограничные) относительно узкие зоны (поверхности раздела). В относительно однородных телах возникают внутренние границы раздела, то есть контактные зоны второго, третьего и т.д. порядка.

Любые пограничные слои обладают избыточной (по сравнению с внутренней областью тела) поверхностной энергией (разной природы и формы). Избыточная энергия молекул, проявляется в поверхностном натяжении. Избыточная потенциальная энергия, заключенная в рельефе поверхности океана и материков, связана с отклонением этого рельефа от поверхности разного потенциала силы тяжести (геопотенциала).

Соотношение разных видов энергии приводятся в таб. 2.1, энергетических потоков - в таб. 2.2.

Таблица 2.1.

Ориентировочные соотношения разных потоков энергии, которые поступают в географическую оболочку, Дж/(м2*с)

Солнечная (поглощенная атмосферой и

земной поверхностью) 2,3*10 2

Космических лучей (2...3)*10 -6

Антропогенного производства 40*10 -3

Распада радиоактивных изотопов 7*10 -3

Приливного трения 3,5*10 -3

Окисление органического вещества 0,4...0,6

Геотермическая тепловая 0,1

Тектоническая п*10 -3

Таблица 2.2.

Потоки энергии у земной поверхности в ТВт ( 1 ТВт = 10 2 Вт) (Горшков В.Г., 1990)

Энергетические потоки Мощность Солнечная радиация (прямая и косвенная):поглощение атмосферой и земной поверхностью

поглощение сушей и океаном

расход на испарение (выделение в атмосфере)

транспирация

турбулентные потоки тепла

перенос тепла от экватора к полюсам атмосферой

перенос тепла от экватора к полюсам океаном

ветер (диссипация тепловой энергии)

океанские волны (диссипация волновой энергии)

фотосинтез

гравитационная энергия падения осадков

энергия рек

Другие виды энергии: Геотермальная

Вулканов и гейзеров

Приливов и отливов

Лунного света, падающего на Землю

Света приходящего на Землю от звезд

Современное энергопотребление человечества

100000

80000 40000 3000

10000 10000 2000

2000 1000 100 100

3 30

0,3 1 0,5 0,001

10 Солнечная радиация - единственный источник энергии почти для всех природных процессов протекающих в биосфере.

Солнечная радиация. От Солнца к Земле направляется поток электромагнитной энергии в широком диапазоне длин волн, которые вместе составляют солнечный спектр. Условно весь спектр разделяют на три зоны: 1) видимые лучи в интервале приблизительно 0,4...0,76 мкм; 2) ультрафиолетовое излучение, которое имеет длину волн до 0,4 мкм и 3) инфракрасное излучение с длиной волн свыше 0,76 мкм.

Изменчивость интенсивности солнечной энергии, которая поступает на верхнюю границу атмосферы, невелика, поэтому ее поток, вычисленный на 1 см2 за минуту, называют солнечной постоянной. Она равняется 1,98 кал/см2 мин или 1382 Дж/(м2 ·с), или 1382 Вт/м2. Поскольку Земля имеет шарообразную форму, лишь 1/4 часть этого потока приходится в среднем на единицу площади сферы, то есть 345,5 Дж/(м2·с).

В каждый момент времени поток солнечных лучей приходящих к Земле зависит от угла падения солнечных лучей - величина радиации пропорциональна синусу угла падения или косинуса широты. Поэтому это правило называют законом косинуса: Ij=Io cosj, где j - широта.

Атмосфера выступает мощным фильтром, который изымает из спектра некоторые его полосы. Следствием этого является образование в слоях атмосферы вертикальных зон высокой энергии (где происходит поглощение части солнечной энергии). Существенное поглощение ?-излучение и жесткой ультрафиолетовой радиации (? <0,1 мкм) происходит на высоте свыше 100-200 км над земной поверхностью (в термосфере). В слое максимальной концентрации озона (в озоносфере, которая расположена в стратосфере) на высоте 15...25 км теряется еще некоторая часть коротковолновой (жесткой ультрафиолетовой) радиации. Итак, в верхней и средней атмосфере теряется природная энергия, относящаяся к опасной для живых организмов зоны спектра.

Часть солнечной радиации отражается и поглощается облаками. Различные компоненты и примеси атмосферы поглощают различные части спектра электромагнитных волн. Часть радиации рассеивается в атмосфере и направляется к земной поверхности и в Космос. Земной поверхности достигает часть прямой и часть рассеянной радиации. Прямая и рассеянная радиация вместе составляют суммарную радиацию.

Приходящая на земную поверхность радиация частично отражается. Отношение потока отраженного радиационного излучения n к потоку падающего V (обычно выражаемое в %) называют альбедо: a = 100. Альбедо зависит от характера подстилающей поверхности - оптических свойств географического ландшафта и положения в пространстве отражающей поверхности. Величина альбедо колеблется от 95% (или 0,95) у свежевыпавшего снега до 5% (0,05) у воды (при вертикальном падении солнечных лучей). Такие земные покровы как снега и льды отражают от 60 до 95% падающих солнечных лучей. Леса отражают значительно меньше - от 10 до 20%, сельскохозяйственные поля - от 17 до 30%, водные поверхности - от 5 до 10%. Таким образом, отражательная способность различных типов подстилающих поверхностей очень различна. Величины альбедо различных поверхностей приведены в таблице 2.3.

Таблица 2.3. Средние значения альбедо земных покровов (в долях единицы) (Павлов, 1965)

Типы поверхности Альбедо Снег 0,80-0,95 Лед: 0,35-0,40 Водная поверхность озер и водохранилищ 0,07-0,14 Почва, горная порода 0,15-0,35 Луг, степь, 0,16-0,27 Болота 0,16 Хвойный лес 0,10-0,15 Лиственный лес (летом) 0,13-0,18 Поглощение радиации земной поверхностью приводит к ее нагреванию. Нагретые (выше 10К) земные покровы сами становятся источником излучения. Температура земной поверхности колеблется в границах от -90 до +80 °С. В этом случае излучение тепла земными объектами (соответственно закону Вина) сосредоточенно преимущественно в интервале волн от 4 до 120 мкм (максимум приходится на 10-15 мкм), то есть в невидимой инфракрасной зоне.

Длинные волны, излучаемые земной поверхностью, в значительной мере задерживаются тропосферой - это 97 % излучения земной поверхности (преимущественно водяным паром и углекислым газом) - она как бы непрозрачна для них. Процесс запирания земного излучения атмосферой получил название парникового эффекта. Благодаря нему температура земной поверхности повышается примерно на 35 градусов. Атмосфера поглощает большую часть земных лучей, нагревается и излучает инфракрасные лучи. Они направляются в значительной степени к Земле, образуя встречное излучение тропосферы.

Разность между разными потоками лучистой энергии составляет ее радиационный бюджет земной поверхности (или остаточную радиацию):

R = S + D - О - Еs + Еa,

где S, D, О - соответственно прямая, рассеянная и отраженная радиация; Еs - излучение земной поверхности; Еа - противоизлучение атмосферы.

Среднемноголетняя годовая сумма радиационного бюджета колеблется от отрицательных значений в полярных районах до более чем 5,5•109 Дж/м2 над морскими просторами жаркого пояса.

В среднем для Земли радиационный бюджет положительный и составляет 3,16*109 Дж/м2*год. Он расходуется на испарение (затраты тепла на испарение), турбулентный поток тепла в атмосферу, на поток тепла в почве (последний направлен в почву в теплое время и к поверхности почвы - в холодное время.

Часть потока энергии переносится конвективным путем от нагревающейся земной поверхности в тропосферу. Его величина определяется разностью температур между поверхностью и тропосферой, а также устойчивостью или неустойчивостью тропосферного воздушного столба. Его неустойчивость в наибольшей мере зависит от влажности воздуха (влажно- или сухоадиабатический процесс) и температурной стратификации. Если воздух нагревается от земной поверхности - он неустойчив; если в него поступает водяной пар - он также неустойчив. Если эти свойства накладываются одно на другое - неустойчивость может стать такой значительной, что возникнет тропосферный вихрь.

Отношение количества радиации, отраженной Землей в целом к количеству радиации, которая поступила на внешнюю границу атмосферы, называют планетарным альбедо Земли. Его оценивают величиной 30-35 %. Основную роль в планетарном альбедо играет облачный покров (статистически земной поверхности покрыта облаками).

В целом Земля как планета теряет почти столько радиационной энергии, сколько и получает. Только маленькая ее часть аккумулируется в органическом веществе и геохимических аккумуляторах. Поэтому говорят, что Земля в целом находится в состоянии радиационного равновесия. Но земная поверхность далека от такого состояния из-за сложного распределения потоков радиации, вызываемых пространственно-временной мозаичностью температуры, облачности, альбедо. Благодаря географической неоднородности радиационных и тепловых факторов между различными районами мира имеются большие различия в поступлении солнечной радиации. Эти различия обусловливают формирование динамичных систем циркуляции. Их устойчивые отношения запечатлеваются в пространственной структуре ландшафтных зон. Людьми они отражены в историческом опыте цивилизаций: в выборе технологий сельскохозяйственного производства, формах строительства и архитектуры, особенностях коммунального хозяйства, в определенной степени - даже в промышленности и обороне. В рамках выбора стратегии развития альтернативной энергетики, эти различия необходимо также учитывать при планировании размещения солнечных коллекторов и батарей, а также ветровых установок.

Наилучшие условия для создания солнечно-энергетических установок существуют в тропических малооблачных районах - там за год поступает до 8000 МДж/м2 и несколько более. Но опыт показывает, что даже в более северных и менее солнечных районах (при суммарной радиации 3000-4000 МДж/м2) солнечные установки могут быть рентабельными, несмотря на то, что плотность потока солнечных лучей по сравнению с плотностью, созданной с помощью ТЭЦ, АЭС, ГЭС, невелика. Но ведь генерирование энергии в энергетике обходится дорого, а солнечная энергия - бесплатна.

Внутриземная (эндогенная) энергия. Эндогенная энергия связана с распадом радиоактивных элементов, гравитационным сжатием и уплотнением вещества земных недр, приливным трением, обусловленным взаимодействием Земли с Луной и Солнцем. Тепловой поток из земных недр в среднем в 105 раз меньше потока электромагнитной солнечной энергии. Он составляет около 0,06 Дж/(м2·с), то есть он меньше погрешности определения потока солнечной энергии. Тепловой поток очень контрастно дифференцирован на земной поверхности в зависимости от тектонической структуры и современной активности земной коры.

Распределение температуры на земной поверхности определяется множеством факторов. Горизонтальное распределение зависит от радиационного бюджета подстилающей поверхности, наличия влаги для испарения, взаимодействия моря и суши (теплоперенос), рельефа и др.

По вертикали в атмосфере температура уменьшается в среднем на 0,60 С на 100 м. В морской среде, где четко видно деление на сезонно теплый поверхностный слой и прохладный глубинный, это имеет значение как сезонный (летний) источник низкотемпературного тепла. Если разность температур составляет 200 С, такое тепло рентабельно использовать для энергетических установок.

Кроме того, контрастность температур обусловливает ветер, а он, в свою очередь, ухудшает сохранение тепла в помещениях - следовательно, увеличивает затраты тепла на обогрев даже при условии, что метеорологические показатели температуры неизменны.

Преобразования энергии. В результате различных преобразований солнечная и другие виды энергии частично проявляются в энергии ветра, падающей и текущей воды, биомассы, минерального топлива. В процессе фотосинтеза происходит образование органического вещества (энергия химических связей). Дальнейшие преобразования приводят к созданию энергии в виде пищи, топлива, электричества. Человеческий труд также есть следствие преобразования солнечной энергии (через фотосинтез, поедание растительной и животной пищи).

Энергия переходит из одной части биосферы в другую, при этом имеют место следующие характерные процессы:

1.Часть энергии расходуется на совершение механической работы. Речь идет об тропосферной и океанической циркуляциях, движении воды в руслах рек и т.д.

2.Большая часть энергии диссипирует, рассеивается, переходит в менее концентрированное состояние. Чаще всего речь идет об излучении радиации поверхностью и атмосферой в Космос.

3.Часть энергии переходит в те или иные формы накопления (кратковременные или длительные). Кратковременными являются фазовые переходы воды. Долговременными являются органическое вещество (захороненные в толщах земной коры остатки деревьев в карбоне лежали примерно 350 миллионов лет, прежде чем их стали добывать и вовлекли в новый процесс трансформации), а также свободный кислород атмосферного воздуха.

Природные и техногенные концентраторы энергии. В природных системах есть процессы, которые повышают концентрацию энергии. Наиболее известным природным концентратором энергии являются зеленые растения, которые запасают солнечную энергию в процессе фотосинтеза, переводя ее в энергию химических связей. Захороняясь в недрах, органические вещества сохраняют рассеянную в горных породах биогеохимическую энергию. Если они подвижны, то способны многократно концентрироваться в виде флюидов (потоков вещества): нефтяных, газовых и др. месторождений. В различные геологические эпохи, особенно в карбоне, девоне и палеогене, произошло большое накопление солнечной энергии при образовании месторождений каменного угля.

При поднятии блоков земной коры происходит концентрация потенциальной энергии, то есть энергия поднимающихся масс вещества как бы накапливается. Они образуют пересеченный рельеф. При стекании воды атмосферных осадков, рек и ручьев часть этой энергии расходуется на движение воды в руслах рек, при оползнях, обвалах, склоновой и русловой эрозии и на многие другие процессы.

Географические тепловые машины. Внешние потоки энергии служат причиной движений в тропосфере, океане, ледниках и других природных средах.

Все энергетические системы в биосфере связаны между собой. Грубой аналогией этой взаимосвязи можно считать часовой механизм. Главными его деталями являются множество колес-шестеренок, связанных между собой и заводящая пружина. Последняя - это внешний источник энергии (например, Солнце), а колесики - динамичные геосферы, с разной скоростью обменивающиеся веществом и энергией. Регулятором является анкерный механизм. Но эта аналогия очень поверхностна и неполна. В природе постоянно возникают, самонастраиваются и исчезают все новые и новые системы переноса энергии, которые называют, с легкой руки В.В.Шулейкина, географическими тепловыми машинами. Крымчанину известны они в двух ипостасях: как летний бриз непосредственно в береговой зоне моря (он меняет направление по времени суток) и циклоническая деятельность.

Энергетические ресурсы, используемые человеком. Все виды энергии, поступающей в географическую оболочку, испытывают многообразные преобразования. Возникают механические движения вещества, происходят фотохимические и термохимические реакции. Солнечная энергия преобразуется в энергию ветра, падающей и текущей воды, биомассы, минерального топлива. Дальнейшие преобразования приводят к появлению энергии в форме пищи, топлива, электричества, мускульной силы.

Но 99 % энергии, идущей на нагревание земной поверхности и всех зданий, дает бесплатная и к тому же фактически неисчерпаемая прямая солнечная энергия. Она же обусловливает круговорот углерода, кислорода, воды и других химических элементов, необходимых всем живым организмам для жизни, здоровья и воспроизводства себе подобных. Отопление зданий производится с помощью электроэнергии, получаемой в результате сжигания нефти, бензина, угля, дров (т.е. запасенной биосферой в прошлом солнечной энергии. Только ядерная энергия сюда не относится.

Системный подход к оценке, сравнению энергетических ресурсов. Их количество определяют в довольно абстрактных физических единицах - джоулях, калориях, лошадиных силах и пр. В таких единицах точно указывается количество, но отсутствует характеристика качества энергии. Качество энергии - это функциональное значение потоков и запасов разных видов энергии для различных целей, систем, процессов, в том числе и для окружающей среды, биосферы. Обычно принимают во внимание три показателя качества: "работоспособность" энергии (отражает термин "эксергия"); концентрированность энергии (плотность ее потока); способность к преобразованиям в другие формы (универсальность). Энергия тем качественнее, чем выше значения этих показателей.

Отсюда вытекает важное следствие: запасы и потоки энергии, находящиеся в более высокоорганизованных системах (обычно она находится на более высоком уровне энергетической пирамиды), неправомерно сравнивать только в количественном выражении с носителями энергии более низкого качества. Очевидно, следует ввести понятие энергетического эквивалента, некой единицы условной энергии (ЕУЭ) в виде коэффициента (меньше 1), который выставлять перед показателем менее качественной энергии. Но это только принцип, а не решение задачи сравнения.

Наряду с этим, ведущие экологи считают, что необходимо перейти от узко хозяйственной оценки энергетических ресурсов и потоков к более широкой функциональной оценке (Реймерс, 1994.с 188). Имеется в виду и роль энергии в природных процессах, и ее возможности использования в социальной практике. Норма изъятия ресурса должна планироваться с учетом ограничений социоэкологического характера.

Н.Ф. Реймерс (1994) разграничивает следующие виды запасов природных ресурсов:

1.Общий теоретический запас. Под ним подразумевается глобальный запас без учета каких-либо ограничений и связей.

2.Общий доступный запас. Это глобальный запас, реальный при данных технологиях и экономических возможностях.

3.Шаговый глобальный запас. Запас, ограниченный технологическими, экономическими и общеоэкологическими лимитами, связанными с необходимостью сохранения экосферы планеты. Речь идет, например, о запрете на использование энергии выше 1% от энергии биосферы (закон 1%). Модели глобального климата дают даже меньший порог допустимого использования природной энергии - в 0,3-0,5%. Превышение этого порога изменит общеземную температуру на 5-9°, что будет означать глобальные сдвиги в радиационном и тепловом режиме, влагообороте планеты с нарушением системы жизнеобеспечения человечества.

4. "Шаговый" системный запас (в рамках одного вида ресурса).

5. Запас регионального хозяйственного использования. Количество изымаемого ресурса, ограниченное региональными запретами.

Таким образом, важны не только наличие ресурсов и техническая и экономическая возможности их использования, но и запреты и ограничения экологического и, вероятно, социального характера.

С учетом сказанного, оценим энергетические ресурсы биосферы (по Реймерсу, 1994, с. 196-197 с добавлениями авторов).

С геоэкологической точки зрения, важным является воздействие энергии, если она выделена нами из энергоносителя, на термический режим окружающей среды. Если энергия выделена ее преобразованием, то суммарное ее количество в окружающей среде не изменяется. Такую энергию называем недополнительной. Она не влияет непосредственно на геоэкологическую ситуацию, не повышает температуру, не приводит к глобальному потеплению, хотя локально может влиять на природные состояния.

Если энергия выделяется из теплоносителя, который в ином случае был бы пассивным, то такая энергия является дополнительной. Она способствует нарушению энергетических балансов окружающей среды, может участвовать в глобальном потеплении и т.п. Например, известно, что за год сжигается запас органического топлива, накопленного примерно за 1 млн. лет. Учитывая, что, как правило, биота поглощает и аккумулирует 1/1000 потока солнечной энергии, а в месторождениях содержится, по оценкам, примерно 1/1000 запасов органического вещества прошлых эпох, получаем, что за год в окружающую среду за счет сжигания топлива выделяется тепла столько, сколько его поглощается в фотосинтезе в настоящее время. Это немного, но ощутимо.

Таким образом, мы можем оценить, с этих позиций, источники солнечной энергии в окружающей среде.

1.Солнечная радиация. Она в 13 000 раз больше современного уровня использования энергии человечеством, то есть практически неисчерпаема. Не является дополнительной. Ограничения связаны с малой пространственной плотностью потока и неустойчивостью во времени. Перспективы использования в энергетике связаны с перестройкой хозяйства применительно к ее малой пространственной плотности и непостоянству во времени, которое только частично поддается прогнозу.

2. Солнечный и космический ветер. Ничтожная энергия, но большой информационный эффект (регулирующая роль). Не существует технологий, которые позволяют использовать эту энергию в пределах географической оболочки-биосферы (зато она важна в космических процессах). Поэтому основная задача заключается не в использовании этой энергии в прямом смысле, а в удержании ее в существующих пределах и в приспособлении своего существования к ее пространственно-временной динамике.

3.Энергия морских приливов и отливов и океанических течений. Количественно она довольно велика. Имеются ограничения в связи с неблагоприятными изменениями прибрежных морских экосистем. Эта энергия не является добавочной, то есть ее использование не приводит к дополнительному нагреванию тропосферы.

4.Потенциальная и кинетическая энергия воды и льда. Не является добавочной, т.е. не влияет на энергетический баланс земной поверхности. Опасна из-за нарушения экологического баланса водоемов и системы "суша-океан".

5.Потенциальная и кинетическая энергия ветра. Достаточна для обеспечения всех энергетических затрат человечества, но использование ограничено большими колебаниями во времени, а тем самым и неустойчивостью энергетических систем. Добавочной не является.

Другие виды энергии, которые называются ниже, не являются солнечными.

6. Геотермальная энергия. В ряде районов ее использование позволяет решить энергетические проблемы. Ее использование приводит к выделению дополнительного тепла (т.е. она добавочная) и к загрязнению подземных вод и пластов земной коры.

7. Земной магнетизм. Эта энергия важна для защиты от опасного космического излучения, а также для производства электромагнитной энергии.

8.Энергия естественного атомного распада. Достаточно велика (уран - 3 млн., торий - 630 тыс. т НЭ). Энергия добавочная. Не решен вопрос с хранением отходов. Сохраняется вероятность крупных аварий.

9. Энергия ядерного синтеза. Запасы практически неисчерпаемы. Энергия добавочная. Надежный метод управляемой ядерной реакции пока не найден.

Резюмируя вышесказанное стоит отметить:

1. Геосферы и отдельные их части - очень различные объекты по плотности, фазовому состоянию, отражательной способности, характеру взаимодействий. Поэтому поступление и преобразование энергии происходит в них по-разному.

2. Все источники энергии биосферы внешние: солнечная, космическая, внутриземная, связанная с взаимодействием Земли с Луной и планетами, с вращением Земли. Они различны по величине, мощности, виду, физическому характеру, форме подачи, степени устойчивости во времени.

3. Основную долю (98%) всей поступающей в биосферу энергии составляет солнечная электромагнитная энергия. В атмосфере она испытывает значительные преобразования, соответствующие сферической форме земной поверхности и структуре тропосферы (облачность, прозрачность), благодаря чему приобретает поясно-зонально-секторальные свойства. Непосредственная роль других видов внешней энергии (космическое излучение, корпускулярная энергия Солнца, тепло земных недр, тектонические движения, энергия орбитального вращения Земли и др.) в тепловом балансе биосферы незначительна. Однако эти виды энергии имеют важное значение для многих других процессов, в том числе таких могущественных как движения литосферных плит, орогенических движений, денудации земной поверхности и др.

4. Земная поверхность, получившая энергию, сама становится источником излучения. Наличие в тропосфере газов и примесей, непрозрачных для теплового излучения (парниковые газы), формирует "парниковый эффект". Парниковый эффект имеет громадное, определяющее значение для географической оболочки-биосферы Земли (положительная средняя температура), но его возрастание может изменить природу земной поверхности.

5. Пространственная плотность солнечной радиации и скорости ветра значительно меньше градиентов, создаваемых в технических системах. Человеческое бытие, хозяйство, промышленность и транспорт за последние 200-250 лет приспособились к высокой концентрации энергии, создаваемой с помощью паровых, электрических и других видов машин. Встает задача создания технологий, которые были бы приспособлены к характеру пространственного распределения природной энергии, а также временн?й структуре ее поступления.

Лекция №4

Тема: Биогеохимические процессы в биосфере

Цель лекции: ознакомление с функциями живого вещества биосферы.

План лекции:

1. Биогеохимические функции живого вещества и деятельность живых организмов. Пространственно-временной ряд биогеохимической цикличности.

2. Круговороты биогенных элементов и их антропогенная модификация: газообразного и осадочного циклов, макро- и микроэлементов.

3. Понятие о биогенной миграции.

4. Качественное различие между биогенной и физико-химической миграцией химических элементов и соединений.

Основные понятия по теме: функции живого вещества.

Биогеохимические процессы в биосфере:

Функции живого вещества. Различают следующие функции живого вещества биосферы:

1. Энергетическая функция. Растения поглощают солнечный свет и насыщают энергией биосферу. Около 10% улавливаемой солнечной энергии используется самими продуцентами (в основном, на процессы клеточного дыхания), остальная часть по пищевым цепям распределяется по экосистемам биосферы. Некоторое количество энергии консервируется в виде полезных ископаемых (угля, нефти), насыщая энергией земные недра.

В энергетической функции иногда выделяют окислительно-восстановительную функцию. Хемосинтезирующие бактерии, являясь продуцентами, извлекают энергию из окислительно-восстановительных реакций неорганических соединений. Серобактерии получают энергию, окисляя сероводород, а железобактерии - двухвалентное железо до трехвалентного. Нитрифицирующие бактерии окисляют соединения аммония до нитритов и нитратов. Именно в расчете на работу бактерий на поля вносят в качестве удобрения соединения аммония, сами по себе эти соединения не усваиваются растениями. Непосредственное удобрение полей нитратами приводит к насыщению запасающих тканей растений водой, фиктивному увеличению урожайности, резкому ухудшению вкусовых качеств овощей и опасности заболеваний пищеварительной системы.

2. Средообразующая. Живые существа формируют почву, поддерживают состав атмосферы и гидросферы. Без фотосинтеза атмосферный кислород израсходовался бы за 2000 лет, а рост количества углекислого газа через 100 лет привел бы к гибели организмов. За день лесной массив способен поглотить до 20-25% углекислого газа из слоя воздуха в 50 м. Среднее дерево обеспечивает кислородом 4 человек, один гектар лиственного леса вблизи города задерживает более 100 т пыли в год.

Благодаря деятельности маленьких байкальских рачков, трижды в год процеживающих всю воду озера, Байкал славится своей чистой водой. Двустворчатые моллюски Волгоградского водохранилища, дважды в месяц профильтровывая полный его объем - 35 км3, осаждают на грунт с апреля по ноябрь более 29 млн. т взвеси.

3. Концентрационная функция. Живые существа концентрируют в своих организмах различные химические элементы, рассеянные в биосфере. Активнейшими концентраторами являются микроорганизмы. До 90% почвенного азота - результат "труда" синезеленых. Из бактерий одни концентрируют железо (например, окисляя хорошо растворимый в воде гидрокарбонат до нерастворимого гидроксида, накапливающегося в среде их обитания), другие - марганец, третьи - серебро. Бактерии способны увеличивать содержание: железа - в 650 тыс. раз, марганца - в 120 тыс. раз, ванадия - в 420 тыс. раз.

Эта удивительная способность позволила ученым предположить, что сообщества бактерий вносят существенный вклад в формирование месторождений металлов.

Германий и селен в некоторых странах добывают из растений. В водоросли фукус накапливается титана в 10 тыс. раз больше, чем в окружающей морской воде. Каждая тонна бурых водорослей содержит несколько килограммов йода. Австралийский шелковистый дуб концентрирует алюминий, один из видов американского дуба - медь, сосна накапливает бериллий, береза - стронций и барий, лиственница - марганец и ниобий, а черемуха, осина и пихта - торий. Золото "собирают" дуб, кукуруза, хвощ, бурые и красные водоросли, а в 1 т золы полыни может содержаться до 85 г этого драгоценного металла. Моллюски концентрируют никель, осьминоги - медь, медузы - цинк и алюминий.

4. Деструктивная функция. При активном участии живых существ идет минерализация органических остатков, выветривание горных пород. Синезеленые водоросли, бактерии, грибы и лишайники выделяют серную, азотную, угольную, а также органические кислоты, разрушающие твердые породы. Корни деревьев и растений тоже выделяют разъедающие соединения. Существуют бактерии, разрушающие стекло и даже золото.

5. Транспортная функция организмов связана с переносом масс вещества. Растения втягивают корнями воду и испаряют ее в атмосферу, рыба плывет против течения, роющие существа выбрасывают землю наверх, стада и стаи мигрируют. Вес стаи перелетной саранчи может достигать миллионов тонн.

Разнообразные функции живого вещества позволяют ему проводить грандиозную геологическую работу, формировать облик биосферы, активно участвовать во всех ее процессах.

Роль живых организмов в формировании осадочных пород. Первым этапом образования осадочных пород является выветривание - разрушение литосферы под действием естественных факторов: воздуха, воды, солнца и живых организмов. Корни растений наделены удивительной жизнеспособностью, внедряясь в породу, они разрушают ее. Просачиваясь в образованные корнями трещинки, вода растворяет и уносит вещество. Растворению способствуют содержащиеся в природной воде разъедающие вещества растений. Особенно интенсивно выделяют органические кислоты лишайники. Слизь, образуемая синезелеными и диатомовыми водорослями, превращает в песок минералы, основу которых составляют соединения кремния и алюминия. Физическое выветривание пород сопровождается, таким образом, химическим выветриванием.

За счет отмирания организмов планктона и бентоса ежегодно на дне отлагается около 100 млн. т органогенных известняков (многие известняки химического происхождения, они отлагаются, например, в зоне контакта кислотных и щелочных подземных вод). Отмирая, одноклеточные диатомовые водоросли и радиолярии формируют кремнийсодержащие илы, покрывающие сотни тысяч квадратных километров морского дна.

Живые существа вносят существенный вклад в осадконакопление и формирование литосферы.

Почвообразующая роль живых организмов. Разрушение горных пород и их дальнейшая переработка микроорганизмами и растениями приводит к образованию рыхлой плодородной оболочки земли - почвы. Корни деревьев извлекают из глубоких горизонтов почвы элементы минерального питания и обогащают ими верхние слои, повышая плодородность почв. Мертвые корни и листья растений, трупы и экскременты животных обогащают почву органическими соединениями, служат пищей для почвенных организмов, минерализующих органику и превращающих ее в углекислый газ, аммиак, органические кислоты.

Беспозвоночные животные, почвенные насекомые и их личинки проводят огромную структурообразующую работу. Они разрыхляют почву, делают ее пористой и пригодной для жизнедеятельности растений. Число особей дождевых червей достигает 2-3 млн. (1-2 т)/га, за сутки они могут перерыть до 10 т земли. Пропуская почву через кишечник и вынося ее на поверхность, они ежегодно формируют слой переработанного грунта толщиной до 0,5 см, массой 25 т/га. Черви обитают в почве несколькими ярусами. Одни проникают на глубину до метра и затаскивают туда остатки листвы, другие живут в тонком слое почвенного перегноя (20-30 см), а третьи проводят жизнь в слое лиственного опада. Почвенные беспозвоночные вырабатывают и выделяют в почву различные биологически активные вещества, так, например, дождевые черви продуцируют биостимуляторы группы "В". Различные позвоночные животные - кроты, землеройки, - разрыхляя почву, способствуют развитию кустарников и деревьев, а также газообмену.

Ночью при охлаждении и сжатии воздух проникает в почву. Кислород используется для дыхания почвенными организмами и клетками корней растений. Азот связывается бактериями и синезелеными водорослями. Днем при нагревании почва выделяет продукты жизнедеятельности почвенных организмов и разложения органики - аммиак, сероводород и углекислый газ. Дождевая вода частично удерживается почвой, другая ее часть, растворяя минеральные соли, выносит их в реки и океаны, где они осаждаются или используются водными организмами. В нагретой почве вода поднимается по капиллярам и испаряется. Происходит перемещение растворов и отложение солей в разных почвенных горизонтах.

Мощность слоя почвы, как и количество биомассы, увеличивается с приближением к экватору. Тундровая почва северных широт имеет толщину 5-10 см, в хвойных и лиственных лесах она достигает 20-40 см, в степях - до 1,5 м, а в тропических лесах - 10 м.

В состав почвы входит 50-60 объемных процентов минеральных веществ, 25-35% воды, 15-25% воздуха и до 10-16% органических веществ. Около 90% органики входит в состав гумуса (?лат. humus почва). Количество гумуса служит показателем плодородия почвы. В черноземах его 400-700 т/га, а в почвах тундр и пустынь - всего 0,6-0,7 т/га. Из чего же состоит гумус?

Частички гумуса строятся из фрагментов органических молекул (белков, углеводов) при активном участии микроорганизмов почвы. Сначала почвенные животные (черви, насекомые) размельчают остатки растений. Затем грибы и микроорганизмы расщепляют сложные органические молекулы (целлюлозу, белки и пр.) на простые фрагменты. Другие микроорганизмы с помощью ферментов соединяют эти фрагменты в органические молекулы гумуса (в основном, гуминовые кислоты) длинными цепями обвивающие частички глины в несколько слоев. Получаются устойчивые к действию химических соединений и микроорганизмов гранулы, способные сохранять запас плодородия длительное время. При недостатке питательных веществ особые микроорганизмы "распечатывают" эти гранулы и пускают их плодородную силу в дело. Частички гумуса придают почве водо- и воздухопроницаемость. Гумус участвует в разрушении минералов почвенной подложки, вовлекает их в биологический круговорот. Микроорганизмы-гумусообразователи теплолюбивы, поэтому в южных широтах почвы особенно богаты гумусом. Когда почву распахивают и оставляют под паром на год-два, то в прогретой вспаханной земле микроорганизмы синтезируют гумус из отмершей при вспахивании растительности и запасов растительных остатков. Почва, обогащенная гумусом, становится более плодородной. В этом секрет "черного пара".

Особенно богата гумусом степная почва. В степи обитает множество копытных, змей, грызунов, лис, ящериц. Их навоз хорошо удобряет почву, микроорганизмы эффективно переводят его в гумус. Азотные удобрения резко снижают содержание гумуса, поскольку в условиях избытка азота активизируются микроорганизмы, разрушающие гумус. Черноземы русских степей содержали до 12-16% гумуса, превосходя плодородием почвы Бразилии, Венесуэлы и США. Поэтому-то немцы и вывозили эшелонами русский и украинский чернозем. Степи в биосфере - главный почвообразующий источник.

В гумусе содержится основной энергетический запас почвы. Растительность чернозема использует лишь 10% энергии, запасенной в гумусе.

Почва может отдавать гумус растениям, а может накапливать его в нижних горизонтах, расходуя свою энергию экономно. Способность мышц человека к напряжению зависит от присутствия в них кальция, почва тоже "напрягается" или "расслабляется" в зависимости от присутствия этого элемента в верхних горизонтах. При его наличии частички гумуса делаются нерастворимыми и не вымываются в нижний горизонт. Они расходуются на питание, и растительность бурно развивается. При отсутствии кальция частички гумуса растворяются и уносятся водой в нижний запасающий горизонт, а растения развиваются достаточно скромно. Почва с недостатком кальция не может быть плодородной, в нее вносят дополнительно кальцийсодержащие соединения.

Под Псковом расположены рядом два лесных участка с резко различающейся растительностью. На одном - дубрава и клеверный луг, на другом - еловый лес и скудная осока. Влияющая на состав почвы подложка на границе участков меняется. На одном участке - богатая кальцием известковая почва, на другом - бедные кальцием суглинки. Количество растительности и ее развитие зависит и от содержания в почве других химических элементов. Взаимосвязью растительности и состава пород давно научились пользоваться геологи. На месторождениях угля и нефти растения обычно очень крупные. Там, где недра содержат железо, свинец, медь или радиоактивные руды, растительность всегда угнетенная. При избытке алюминия листья закручиваются, а медь делает розовые и желтые лепестки роз голубыми или даже черными. Розовые цветки иван-чая делаются на урановых рудах белыми или пурпурными. На месторождениях платины чернеет сосновая хвоя.

Среди всех биокосных систем биосферы почва имеет самую высокую концентрацию живых организмов. Экологи предполагают, что специфический запах земли обусловлен продуктами метаболизма микроорганизмов. В 1 см3 лесной почвы - 10 млн. бактерий, 200 тыс. водорослей, 20 тыс. простейших, общая длина грибницы - до 2 км, в 1 г чернозема - до 10 млрд. бактерий (100 мг). Все эти мелкие существа - основные труженики почвы, чутко реагирующие на присутствие посторонней химии. Поэтому так важно защищать природные биоценозы от загрязнения.

Контрольные вопросы:

1. Назовите пять основных функций живого вещества. Можно ли среди них выделить главную?

2. Какова роль живых организмов в формировании осадочных пород?

3. Как формируется гумус, какова его функция? Какие почвы особенно богаты гумусом?

4. Существует ли взаимосвязь между биоценозами и породами литосферы? Докажите примерами.

Лекция №5

Тема: Эволюция биосферы

Геохронологическая шкала. Большинство авторов гипотез о происхождении жизни на Земле допускали, что в течение огромного промежутка времени наша планета была безжизненной и на ее поверхности, в атмосфере и океане происходил медленный абиогенный синтез органических соединений, который привел к образованию первых примитивных организмов. Установилось почти традиционное представление о том, что на Земле происходила длительная химическая эволюция, предшествовавшая биологической и охватившая интервал времени не менее 1 млрд. лет.

Фоссилизированные (окаменевшие) остатки организмов встречаются в отложениях последних этапов геологической истории, охватывающих 570 млн. лет. По инициативе американского геолога Ч. Шухерта этот период назван фанерозойским эоном, или фанерозоем (от греч. фанерос - очевидный, четкий, зое - жизнь). К фанерозою относятся три последние эры в истории земной коры: палеозойская, мезозойская и кайнозойская.

Более древняя и самая продолжительная часть геологической истории названа криптозоем (от греч. криптос - скрытый), охватывающий огромный промежуток времени - 570-4500 млн. лет тому назад и обозначаемый как докембрий. Этот первоначальный этап геологической истории биосферы принято подразделять на два последовательных периода:

1) архейская эра, продолжительностью около 1900 млн. лет,

2) протерозойская эра, продолжительностью около 2000 млн. лет.

Геохронологическая шкала представляет интерес с точки зрения рассмотрения последовательности этапов развития биосферы, так как позволяет датировать историю возникновения видов организмов. Так, архей - это время примитивных одноклеточных бактерий, протерозой - время разнообразных бактерий и водорослей. C началом палеозоя связывают первое появление многочисленных беспозвоночных, имеющих раковину, окаменевшие останки которых находят в горных породах повсеместно. В палеозое появились первые позвоночные около 450 млн. лет назад (ордовикский период), первые насекомые - 350 млн. лет назад (девон), первые рептилии - 300 млн. лет назад (каменноугольный период), первые хвойные - 220 млн. лет назад (пермский период). С мезозоем связано появление первых динозавров и первых млекопитающих (200 млн. лет назад в триасе) и первых птиц и сосновых деревьев (160 млн. лет назад в юрском периоде).

Кислород в атмосфере. В развитии биосферы важнейшую роль сыграл постепенный рост концентрации кислорода в атмосфере, что создало условия для формирования озонового слоя в атмосфере, перехода на сушу зародившейся в океане жизни и появления в дальнейшем высших животных. Первичная атмосфера была почти без кислорода (0,1% от современного уровня). Изменение состава атмосферы началось приблизительно 2 млрд. лет назад, когда появились первые фотосинтезирующие организмы. Этот процесс развивался до появления 1,5 млрд. лет назад современных хлорофилловых клеток, которые стали выделять большое количество кислорода и поглощать углекислый газ. Их предшественники - прекариоты (клетка без ядра) были первыми фотосинтезирующими организмами (вероятно, это были сине-зеленые водоросли, обнаруженные в докембрийских отложениях в Онтарио).

Приблизительно 1 млрд. лет назад количество кислорода составляло 1% от современного уровня. В эту эпоху важной была роль фотосинтезирующей активности фитопланктона, появился озоновый слой, задерживающий губительные для организмов ультрафиолетовые лучи, что способствовало дальнейшему развитию органической жизни в поверхностном слое воды.

Около 600 млн. лет назад начался важный биосферный процесс: заселение материков живыми существами - появились низшие автотрофные растения, затем более сложные виды растений, что сопровождалось резким увеличением содержания кислорода в атмосфере (от 3% от современного уровня 700 млн. лет назад до 50% к началу мелового периода 140 млн. лет назад).

Основные этапы развития биосферы. Можно условно выделить следующие последовательные этапы эволюции биосферы: синтез простых органических соединений, биогенез, антропогенез, техногенез и ноогенез.

1) Синтез простых органических соединений (химическая эволюция) в геосферах Земли совершался под действием ультрафиолетовой радиации: метана, аммиака, водорода, паров воды. Начало этапа - 3,5-4,5 млрд. лет.

2) Биогенез - преобразование косного вещества геосферы земли в живое вещество биосферы (образование высокомолекулярных органических соединений из простых соединений под действием геофизических факторов). Начало этапа - 2,5-3,5 млрд. лет назад (появление живого вещества биосферы).

3) Антропогенез - появление человека и превращение его в социальное существо, формирование общественной организации человеческих сообществ в процессе производственной трудовой деятельности. Начало этапа - 1,5-3 млн. лет назад (появление человека).

4) Техногенез - преобразование природных комплексов биосферы в процессе производственной деятельности человека и формирование техногенных и природно-технических комплексов, т.е. техносферы как составной части биосферы. Начало этапа - 10-15 тыс. лет назад (появление городских поселений).

5) Ноогенез - процесс превращения биосферы в состояние разумно управляемой социально-природной системы (ноосферы). Ее можно характеризовать как состояние биосферы, при котором осуществляются: а) рациональное использование природы, т.е. рациональное природопользование; б) устойчивое развитие мирового человеческого сообщества.

Заметим, что важное воздействие на эволюцию биосферы оказал дрейф континентов, в результате которого эволюция разных групп организмов пошла различными путями. Согласно теории дрейфа континентов, выдвинутой Альфредом Вегенером в двадцатых годах ХХ века, современные континенты возникли из единого массива суши, получившего название Пангея и существовавшего на нашей планете еще в палеозое, как остров в Мировом океане. Примерно 200-250 млн. лет назад в конце палеозоя - начале мезозоя Пангея "раскололась" на два крупных массива суши, которые стали расходиться, дав возможность сформироваться новым океанам. Индия и континенты, находящиеся сейчас в Южном полушарии (Южная Америка, Африка, Антарктида, Австралия), составляли вместе единый материк Гондвана. Нынешняя Северная Америка, Европа и Азия образовали материк Лавразия.

В юрский период Гондвана и Лавразия отделились друг от друга. К тому времени эволюция динозавров достигла довольно высокой степени, хвойные леса существовали уже на протяжении миллионов лет, появились первые птицы и млекопитающие. Еще до того как началось разделение Гондваны на ныне существующие южные континенты и Индию, динозавры и хвойные леса заняли господствующее положение среди живых организмов. После разделения Гондваны эволюция видов на разных континентах пошла различными путями. Так, сумчатые млекопитающие достигли большого разнообразия в Австралии и Южной Америке, тогда как плацентарные млекопитающие заняли доминирующее положение на других континентах.

Приблизительно в это же время происходило разделение Лавразии, где уже существовали хищные, копытные грызуны, приматы и многие другие млекопитающие. Поэтому неудивительно, что североамериканские, азиатские и европейские виды млекопитающих связаны между собой более близким родством, чем с млекопитающими Австралии и Южной Америки. Нынешние континенты сформировались в основном в конце мезозоя, около 110 млн. лет назад, хотя Индия, перемещаясь к северу, соединилась с Азией только 20 - 30 млн. лет назад.

Лекция №6

Тема: Пределы устойчивости биосферы

Организованность биосферы - явление многоплановое. В самом крупном плане биосфера представляет собой единство живого и минеральных элементов, вовлечённых в сферу жизни. Существенная составная часть единства - биотический круговорот, основанный на взаимодействии организмов, создающих и разрушающих органическое вещество.

При более детальном рассмотрении нетрудно обнаружить гетерогенность биотического круговорота, его более древнюю часть, составленную из одноклеточных синтетиков и деструкторов, и относительно позднюю надстройку из многоклеточных организмов.

Ещё более внимательный анализ показывает, что биосфера распределена по поверхности Земли неравномерно. В различных природных условиях она сформирована в виде относительно самостоятельных природных комплексов, получивших название экосистем, или биогеоценозов. Понятие "биогеоценоз" введено в науку советским ботаником Академиком В. Н. Сукачевым и означает сообщество организмов разных видов, обитающее в определённых природных условиях. Каждый биогеоценоз, или экосистема, представляет собой своеобразную модель биосферы в миниатюре. Он, как правило, включает фотосинтетиков - хлорофиллоносные растения, создающие органическое вещество, гетеротрофов, живущих на созданной автотрофами органике, деструкторов, разрушающих органическое вещество тел растений и животных до минеральных элементов, а также субстрат с каким-то запасом минеральных элементов. В зависимости особенностей субстрата, климата, исторических факторов формирования жизни биогеоценозы могут весьма существенно различаться. Известный американский эколог Е. Одум (1968), говоря об основных экосистемах мира, называет следующие экосистемы: моря, эстуарии и морские побережья, ручьи и реки, озёра и пруды, пресноводные болота, пустыни тундры, травянистые ландшафты, леса.

Каждая из перечисленных Одумом крупных экосистем, характеризующаяся некоторыми специфическими особенностями, в свою очередь распадается на экосистемы, или биогеоценозы различных лесов - хвойных, лиственных, тропических, каждый из которых отличается своими особями чертами и прежде всего характерным круговоротом вещества. Точно так же экосистема моря включает в свой состав биогеоценозы коралловых островов, весьма богатых жизнью. Один из основателей экологии как самостоятельной науки, известный английский уёный Ч. Элтон (1960), обращает внимание на то, что разные биогеоценозы насыщены жизнью в разной степени. Как правило, бедны разнообразием видов организмов биогеоценозы Крайнего Севера, пустынь, особенно богаты видами биогеоценозы дождевых тропических лесов. Величина первичной продукции органического вещества в биогеоценозах, наиболее богатых жизнью, превосходит продукцию биогеоценозов глубин океана более чем в 50 раз! Живая часть биогеоценоза - биоценоз - слагается из популяций организмов, принадлежащих к разным видам. В распределении видов в составе биоценоза обнаруживаются интересные закономерности. Чем меньше вес организма, тем больше численность его особей (Э. Макфельден, 1965). Изучение частоты встречаемости представителей разных видов позволяет обнаружить другую более важную закономерность: Наибольшим распространением отличается сравнительно небольшое число видов. Так, например, по данным Э. Райса (1952), изучившего видовую структуру растительности высокотравной Оклахомы, 84 % травостоя было занято 9 видами, в то время как на долю остальных 20 видов приходилось 16 %. В состав биоценозов входят, с одной стороны, высокоспециализированные виды, способные существовать только в условиях данного биоценоза, с другой - виды с более широким спектром потребностей. При существенных изменениях среды обитания первыми вымирают специализированные виды.

Во многих биоценозах наряду с видами, встречающимися в данном сообществе постоянно, имеются виды, входящие в состав либо на какой-то стадии развития, либо в течение ограниченного сезона. К первым принадлежат многие водные насекомые, живущие в водоёме на личиночной стадии и покидающие это местообитание во взрослом состоянии, например комары. Большую роль играют отношения типа паразит - хозяин. В последнее время открыта принципиально новая форма связей - передача наследственных особенностей от одних видов к другим с помощью бактериофагов и вирусов. Такая форма связи, по-видимому, широко распространена среди бактерий. Какую она играет роль во взаимодействии между другими членами биоценоза, пока ещё не достаточно ясно. Анализ структуры биосферы не заканчивается на биогеоценозах. Они, в свою очередь, состоят из популяций разнообразных видов, т.е. из качественно своеобразных форм организации живой материи, каждая из которых ведёт своё начало от общего предка. В биогеоценозе, таким образом, существуют популяции видов с разной историей; основа биогеоценоза полифилетчина. В организации биосферы как системы биогеоценозов снова находит своё выражение общий принцип формирования сложного из относительно простого:

1.Имеется масса специфических компонентов - популяции отдельных видов.

2. Различные виды организмов не только способны образовывать связи друг с другом, они уже не могут существовать без этих связей.

3. Связи между организмами обеспечиваются в основном одним источником энергии - солнечным излучением. Каждый биогеоценоз - своеобразный трансформатор солнечной энергии в энергию биосинтезов.

4. Принцип разделения труда, достаточно хорошо выраженный в биогеоценозах, придаёт им черты целостности, относительной независимости существования и, как следствие этого, большей устойчивости.

5. Относительная независимость биоценозов друг от друга при условии конкуренции между ними за местообитание, вещество и энергию создаёт оптимальные условия для эволюций всей биосферы.

Контрольные вопросы:

1. Структура биосферы на физическом, химическом и биологическом уровнях организованности.

2. Парагенетический уровень организованности биосферы.

3. Организация биосферы и космос, планетно-космические основы организации жизни.

Лекция №7

Тема: Взаимоотношения человеческого общества и природы

План лекции:

1. Происхождение человека.

2. Экологический кризис верхнего палеолита.

3. "Неолитическая революция" - переход от кочевых охотничьих и собирательских общин к оседлому земледелию.

4. "Промышленная революция"

5. Современная "научно-техническая революция.

Во второй половине четвертичного периода появились древнейшие люди архантропы, в частности питекантроп (в Юго-Восточной Азии). Архантропы существовали на Земле длительное время (600-350 тыс. лет назад). Однако антропогенный период в развитии географической оболочки наступил не сразу вслед за появлением человека. Сначала воздействие человека на географическую оболочку было ничтожным. Собирательство и охота с помощью дубинок или почти необработанного камня по своему воздействию на природу мало отличали древнейшего человека от животных. Древнейший человек не знал огня, не имел постоянных жилищ, не пользовался одеждой. Поэтому он почти полностью находился во власти природы, а его эволюционное развитие определялось в основном биологическими закономерностями.

На смену архантропам пришли палеоантропы - древние люди, просуществовавшие в общей сложности свыше 300 тыс. лет (350-38 тыс. лет назад). В это время первобытный человек овладел огнем, что окончательно отделило его от животного царства. Огонь стал средством охоты и защиты от хищников, изменил состав пищи, помог человеку в борьбе с холодом, что способствовало резкому расширению области его обитания. Палеоантропы стали широко использовать пещеры в качестве жилищ, им была известна одежда.

Примерно 38-40 тыс. лет назад палеоантропов вытеснили неоантропы, к которым относится современный человек Homo sapiens. Именно к этому времени и относят начало антропогенного периода.

ЧИСЛЕННОСТЬ ЧЕЛОВЕКА В ПРОШЛОМ

Сегодня численность человека составляет 7 млрд. А сколько было наших предков во времена человека умелого (Homo habilis)? Можно исходить из сравнения численности человека с численностью других крупных млекопитающих. Известно, например, что на территории Евразии численность лосей (Alces alces и A. americanus) составляет 800-900 тыс. особей. Если к ним прибавить численность американских лосей Канады и США, получим цифру порядка 1 млн 200 тыс. особей двух видов. Антилопа-сайга (Saiga tatarica) в благополучные годы (до катастрофического уничтожения ее в конце 1980-х годов) насчитывала до 2 млн особей. Можно предположить, что до развития овцеводства численность сайги достигала 5-10 млн особей. Численность мелкого таежного оленя - кабарги (Moschus moschifer) оценивается в 40-80 тыс. особей.

Сегодня на Борнео, где еще уцелели девственные тропические леса, живут около 2 млн людей и 20 тыс. орангутанов (Pongo pygmaeus). Ясно, что, если бы не воздействие человека (истребление лесов, фактор беспокойства, передача орангам от человека туберкулеза и гепатита В), численность этой крупной человекообразной обезьяны на Борнео могла бы достигать 80-100 тыс. особей. Если учесть былое распространение оранга на Суматре и Малайском полуострове, то его исходную численность (до появления там питекантропов) можно было бы оценить в 300-500 тыс. особей. Однако оранги (равно как и шимпанзе и гориллы) - вегетарианцы, тогда как важную долю рациона наших предков составляла животная пища. Индивидуальный участок охотников и собирателей был существенно больше, чем у вегетарианцев-антропоидов. Все эти соображения позволяют считать, что численность человека умелого (Homo habilis) составляла около 100 тыс.

Человек прямоходящий (Homo erectus) научился поддерживать огонь, что помогло его расселению по умеренным зонам. Археологи оценивают численность синантропа (H. erectus pekinensis) около 300 тыс. лет назад в 1 млн особей. В верхнем палеолите кроманьонцы и близкие к ним формы человека разумного (H. sapiens) были широко расселены по Старому Свету и достигали численности порядка 3 млн особей.

КАК РАССЧИТЫВАЕТСЯ ПОТРЕБНОСТЬ ДРЕВНИХ ОХОТНИКОВ В ПИЩЕВЫХ РЕСУРСАХ И ОПРЕДЕЛЯЕТСЯ АНТРОПОГЕННОЕ ДАВЛЕНИЕ НА ФАУНУ

В годы проведения Международной биологической программы (1960-1970) в разных странах мира для разных климатических и ландшафтных зон по единой методике определяли годовой прирост фито- и биомассы растительноядных и плотоядных животных. М.Н. Будыко [1] использовал эти данные для расчета потребности древних охотников в пищевых ресурсах.

Прирост биомассы мамонтов за год на 100 км2 составлял 4 тыс. кг. На мясо использовалось 40% веса, то есть 2500 кг/год на 100 км2. По расчетам С.Н. Бибикова [2] и В.М. Массона [3], суточный рацион охотников включал не менее 600-700 г мяса. Стало быть, минимальная потребность в мясе орды в 25 человек составляет 5930 кг/год, а в пересчете на живой вес - 14 800 кг/год. Такая орда должна была осваивать охотничью территорию в 370 км2, убивая около шести взрослых мамонтов в год. Аналогичным образом могут быть рассчитаны пищевые ресурсы и других видов охотничьих животных.

Если принять, что численность кроманьонца составляла 2,5 млн особей, и предположить, что на протяжении всего лишь 10 лет человечество питалось одними мамонтами (в умеренной зоне) или слонами (в тропиках и субтропиках), то за это время человек уничтожил бы 6 млн мамонтов и слонов. Однако, как видно из сравнения с ныне живущими видами крупных млекопитающих, такой суммарной численности хоботные вряд ли когда-нибудь достигали.

ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПОСЛЕДСТВИЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ПАЛЕОЛИТИЧЕСКОГО ЧЕЛОВЕКА. ПЕРВЫЙ ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ КРИЗИС

В течение плиоцена и в особенности в плейстоцене древние охотники оказывали существенное давление на природу. Представление о том, что вымирание мамонта, шерстистого носорога, пещерного медведя, пещерного льва связано с потеплением и концом ледникового периода, впервые было подвергнуто сомнению украинским палеонтологом И.Г. Пидопличко [4], высказавшим казавшуюся тогда крамольной гипотезу о том, что в вымирании мамонта был повинен человек. Позднейшие открытия подтвердили справедливость этих предположений.

Развитие методов радиокарбонового анализа показало, что последние мамонты (Elephas primigenius) жили в самом конце ледникового периода, а кое-где дожили до начала голоцена. На Пржедмостской стоянке палеолитического человека (Чехословакия) были найдены остатки тысячи мамонтов. Известны массовые находки костей мамонтов (более 2 тыс. особей) на стоянке Волчья Грива под Новосибирском, имеющие возраст 12 тыс. лет. Последние мамонты в Сибири жили всего 8-9 тыс. лет назад. Уничтожение мамонта как вида несомненно результат деятельности древних охотников.

Искусство верхнепалеолитических анималистов служит наряду с палеонтологическими и археозоологическими находками важным источником информации о том, на каких животных охотились наши предки. До недавнего времени древнейшими и наиболее полными считались позднепалеолитические рисунки из пещер Ласко во Франции (17 тыс. лет) и Альтамира в Испании (15 тыс. лет), но в декабре 1994 года французскими спелеологами была открыта пещера Шове, древнейшая из ныне известных галерей верхнепалеолитического искусства [5]. Возраст ее фресок 31 тыс. лет! Пещера Шове дает нам новый спектр изображений фауны млекопитающих того времени (рис. 1). Наряду с относительно редкими рисунками мамонта (среди них изображение мамонтенка, поразительно напоминающее обнаруженного в вечной мерзлоте Магаданской области мамонтенка Диму, рис. 1, а) или альпийского козерога (Capra ibex) там есть множество изображений двурогих носорогов, пещерных медведей (Ursus spelaeus), пещерных львов (Panthera spelaea), тарпанов (Equus gmelini).

Изображения носорогов в пещере Шове (рис. 1, б ) порождают немало вопросов. Это, несомненно, не шерстистый носорог - рисунки изображают двурогого носорога с более крупными рогами, без следов шерстного покрова, с ярко выраженной кожной складкой, характерной из ныне живущих видов для однорогого индийского носорога (Rhinocerus indicus). Быть может, это носорог Мерка (Dicerorhinus kirchbergensis), который дожил на юге Европы до конца позднего плейстоцена? Однако если от шерстистого носорога, бывшего объектом охоты в палеолите и исчезнувшего к началу неолита, сохранились довольно многочисленные остатки кожи с волосяным покровом, роговые наросты на черепе (во Львове хранится даже единственное в мире чучело этого вида), то от носорога Мерка до нас дошли лишь костные останки, а кератиновые "рога" не сохранились. Таким образом, открытие в пещере Шове ставит перед нами вопрос: какой вид носорогов был известен ее обитателям? Почему носороги из пещеры Шове изображены стадами? Весьма вероятно, что в исчезновении носорога Мерка также повинны охотники палеолита.

Следует подчеркнуть, что человек мог не поголовно истребить тех или иных крупных млекопитающих. Резкое снижение численности в результате охоты ведет к расчленению ареала вида на отдельные островки. Судьба малых изолированных популяций плачевна: если вид не в состоянии быстро восстановить целостность ареала, происходит неизбежное вымирание из-за эпизоотий или нехватки особей одного пола при переизбытке другого [6].

Уничтожены были мамонты, пещерный лев и пещерная гиена (Crocuta spelaea). Исчез спутник человека - пещерный медведь, вдвое превышавший по размерам бурого медведя (рис. 1, в). Этот вид был приурочен к карстовым ландшафтам и стал не только конкурентом человека по использованию убежищ, но и важным объектом охоты. Массовому уничтожению подверглись зубры (рис. 2).

Загонно-облавная охота на крупных млекопитающих могла прокормить ограниченные по численности популяции человека. Согласно расчетам В.М. Массона, во времена верхнего палеолита в эпоху ашель в Пруто-Днестровском междуречье могли существовать 10-12 охотничьих орд общей численностью 250-300 человек. В эпоху мустье население этой территории возросло на треть и составило 320-370 человек. Основу их питания составляли пещерный медведь, тарпан, зубр, северный олень, на долю которых приходилось до 83% добычи. Возрастание численности человека усиливало антропогенный пресс и привело практически к полному истреблению пещерного медведя. На территории Молдавии известны палеолитические стоянки времен ашеля и мустье, где найдены остатки до 6 тыс. особей пещерного медведя. К концу верхнего палеолита пещерный медведь исчезает из рациона первобытного человека и на Кавказе. Интенсивный антропогенный пресс испытали и другие виды млекопитающих, хотя они и не были полностью уничтожены. На стоянке Солютре (середина верхнего палеолита) во Франции были найдены остатки около десятка тысяч диких лошадей - тарпанов. На Амвросиевской стоянке на Украине были найдены остатки тысяч зубров.

Постепенный рост численности человека в верхнем палеолите, истребление им одних видов и сокращение численности других привели человечество к первому в его истории экологическому и экономическому кризису. Оставались малоосвоенными охотничьи виды, для которых загонно-облавная охота не была эффективной - многих копытных равнинных и горных ландшафтов было трудно добыть с помощью копья. Кардинальный выход из этого экологического кризиса был найден неолитической революцией.

МЕЗОЛИТ

Палеолит около 15 тыс. лет назад начал постепенно сменяться мезолитом. Изобретение лука и стрел в мезолите способствовало расширению числа охотничьих видов, привело к возникновению новых форм охоты с использованием собак при загоне. На рисунках мезолита впервые появляются сцены сражений. В жизнь человечества вошли войны.

Со времен пещерной жизни вокруг поселений человека начинает складываться фауна сопутствующих человеку видов. К числу древнейших синантропных видов относится постельный клоп (Cimex lectularius), который был паразитом спутников человека по пещерам: летучих мышей и ласточек, а затем перешел к паразитированию на человеке. К числу древнейших синантропных видов принадлежит и собака.

Сознательно ли приручал собаку человек эпохи мезолита? Скорее всего, шел процесс взаимной адаптации людей и полустайных хищников, которые селились около жилищ человека, около мусорных куч с пищевыми остатками, а затем стали сопровождать его и во время охот. Такой переход от вольного образа жизни к синантропному у животных со столь высоким уровнем развития психики, как псовые, может происходить довольно быстро.

Эксперименты Д.К. Беляева и Л.Н. Трут по изучению влияния отбора на приручаемость и изменчивость лис моделируют процесс одомашнивания собаки и других животных. В течение 20 лет эти новосибирские ученые вели отбор лис по поведению. Через их руки прошло около 10 тыс. животных. Около 30% лис проявляли ярко выраженную агрессивность по отношению к человеку, 40% были агрессивно-трусливыми, 20% - трусливыми. Однако 10% лис была не свойственна ни агрессивность, ни трусливость, более того, они ластились к человеку.

Беляев и Трут повели отбор в двух направлениях: на агрессивность и приручаемость. В потомстве агрессивных лис не наблюдалось изменчивости окраски, качество меха оставалось высоким на протяжении 20 поколений, у них сохранялась строгая сезонность размножения раз в году. Отбор лис на приручаемость привел в течение нескольких поколений к появлению широкого спектра изменчивости по неповеденческим признакам: у приручаемых лис заметно ухудшилось качество меха - из лисьего он стал как бы собачьим, возникли пегие и чепрачные лисы, лисы с повисшими ушами, с закрученным в кольцо хвостом. Отбор нарушил жесткий природный контроль над сезонностью размножения: лисы из моноэстричных (входящих в течку раз в году) превратились в диэстричных. Такой переход от моноэстричности к ди- и полиэстричности отличает человека от обезьян, домашних животных от их диких предков.

Аналогично бессознательный отбор собак на приручаемость, подкормка сняли пресс стабилизирующего отбора, и в результате в полудомашней популяции предков собак мог возникнуть широкий спектр мутаций, которые затем стали поддерживаться сначала бессознательным, а затем и сознательным искусственным отбором.

Расселившийся по Ойкумене человек продолжал и в мезолите наступление на природу. Одной из первых жертв береговых поселений зверобоев на тихоокеанском побережье Америки и Алеутских островах стала морская корова (Rhytina = Hydrodamalus stelleri). Этот крупнейший вид сирен обитал от севера Хоккайдо через Курилы и юг Камчатки к Командорам, Алеутским островам и по тихоокеанскому побережью Северной Америки. Известны находки черепов этого вида близ Сан-Франциско, датируемые по радиокарбону возрастом в 22,5-19 тыс. лет. Еще 12 тыс. лет назад морская корова встречалась на Алеутах. С появлением позднепалеолитических и неолитических зверобоев она исчезала. На Кромандорах она дожила до экспедиции Беринга и была полностью истреблена русскими зверобоями за 27 лет. То, что морская корова дожила на Командорах до XVIII века, служит косвенным свидетельством заселения человеком Северной Америки через Берингийский мост, а не через Командоро-Алеутскую гряду.

НЕОЛИТИЧЕСКАЯ РЕВОЛЮЦИЯ

За мезолитом в разные сроки на разных территориях наступил неолит - период изготовления шлифованных каменных орудий, изобретения сверления камня, появления топора (что способствовало сведению лесов), а позднее изобретения формовки и отжига глины для изготовления посуды. Соответственно выделяют докерамический и керамический неолит.

Главным событием эпохи неолита была так называемая неолитическая революция - переход от собирательства и охоты к растениеводству, связанному с возникновением культурных растений, и животноводству, связанному с одомашниванием животных. Неолитическая революция ранее всего началась на Ближнем Востоке, где были введены в культуру первые виды злаков: пшеницы однозернянка и двузернянка, ячмени. Здесь же были одомашнены коза и предки овцы - азиатские муфлоны. Стал применяться сначала бессознательный, а затем и сознательный искусственный отбор. Итогом неолитической революции стало возникновение сельского хозяйства, распространившегося в страны Средиземноморья, юга Европы и далее на восток. Возник сильнейший антропогенный пресс на пастбища и пашни.

Позднее были одомашнены ослы (Африка и Аравия), лошади - потомки дикого тарпана (Северное Причерноморье), затем верблюды (Аравия - одногорбый, Средняя и Центральная Азия - двугорбый), яки (горные районы Центральной Азии), шелкопряд (Китай), куры и индокитайские свиньи в Юго-Восточной Азии, индюк и лама гуанако в Америке, а в начале нашего тысячелетия в Евразии и северный олень.

Выше уже говорилось, что одомашнивание собаки в мезолите было элементом процесса синантропизации. Известный археозоолог Ф. Цойнер считает начальные этапы одомашнивания результатом перекрытия социальных интересов человека и животных, ставших домашними, своего рода симбиозом. Однако отношения человека с домашним северным оленем характеризуются как отношения социального паразита (человека) с хозяином. Подобно тому как африканские хищники пасут для себя стада копытных в саванне, так и тундровые оленеводы пасут стада домашних северных оленей.

Неуклонно рос и набор возделываемых видов культурных растений. В нашей эре в культуру (если не считать эфирно-масличные, лекарственные и декоративные растения) были введены лишь сахарная свекла, хинное и каучуковое дерево (гевея).

• О географии древнего земледелия можно судить на основе анализа центров происхождения культурных растений. Н.И.Вавилов выявил семь основных центров происхождения культурных растений. Из Средиземноморского центра берут начало многие овощные культуры, включая свеклу, репу, капусту. Кавказ, Переднеазиатские нагорья, Пенджаб, Кашмир, Таджикистан образуют Юго-западноазиатский центр. Он дал пшеницу, рожь, горох, горчицу, большинство плодовых культур Европы. Из горных районов Южного Китая распространились гречиха, соя, редька, грецкий орех, многие цитрусовые. Огурец, суходольный рис и некоторые цитрусовые вышли из Восточных Гималаев, горной Индии и Бирмы. Эфиопское нагорье явилось родиной кофейного дерева и ячменя, а на Мексиканском нагорье были окультурены хлопчатник и кукуруза. Картофель и томаты получены с западных склонов Анд. У многих видов культурных растений оказалось два или три Центра происхождения.

ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПОСЛЕДСТВИЯ НЕОЛИТИЧЕСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ

Одомашнивание животных привело к конкурентному вытеснению их диких предков и сородичей из мест коренного обитания. Предок обыкновенной козы безоаровый козел (Capra aegargus), предок обыкновенной овцы азиатский муфлон (Ovis gmelini) оказались оттесненными в высокогорья Передней Азии. Одомашнивание лошади, потомка европейского тарпана, привело почти к повсеместному исчезновению дикого вида, сохранившегося в южнорусских степях до XIX века, но на большей части своего ареала исчезнувшего еще в конце неолита. Вытеснению подверглись и дикие сородичи одомашненных видов. Так, лошадь Пржевальского (Equus przevalskii) сохранялась до середины XX века в экологическом пессимуме своего ареала - в Гоби, но много раньше была вытеснена домашними лошадьми и человеком из своего экологического оптимума - степей Хэнтея, Алтая и Казахстана.

Перейдя от собирательства и охоты к земледелию и животноводству, человечество обеспечило себя продуктами питания и получило возможности роста своей численности от миллионов к десяткам миллионов. Одновременно резко возросла численность домашних животных - неолитическому человеку сопутствовали миллионные популяции домашних коз и овец, многие десятки тысяч голов крупного рогатого скота, несколько десятков тысяч голов лошадей, ослов и верблюдов. С целью расширения земледельческих угодий наши предки сжигали леса, разводили на пожарищах поля. Из-за примитивного земледелия эти поля быстро теряли продуктивность, тогда сжигались новые леса. Сокращение площади лесов вело к снижению уровня рек и грунтовых вод.

Крупнейшим экологическим результатом неолитического скотоводства стало возникновение пустыни Сахара. Как показали исследования французских археологов [7, 8], еще 10 тыс. лет назад на территории Сахары была саванна, жили бегемоты, жирафы, африканские слоны, страусы. Человек перевыпасом стад крупного рогатого скота и овец превратил саванну в пустыню. Пересохли реки и озера - исчезли бегемоты, исчезла саванна - исчезли жирафы, страусы, большинство видов антилоп. Вслед за исчезновением североафриканских саванн исчез и некогда многочисленный здесь крупный рогатый скот.

Важным результатом освоения земледелия стало появление вокруг человеческих поселений синантропных животных. На запасах зерна кормились домовые мыши (комплекс видов из группы Mus musculus). От дикоживущих видов домовых мышей в течение 10-12 тыс. лет обособились синантропные виды, живущие в домах. Позднее с развитием крупного зернового хозяйства возникли живущие в полях зерновых курганчиковые мыши (M. hortulanus), строящие свои курганчики из запасов зерна.

В Средиземноморье, Месопотамии рядом с человеком поселились черные крысы (Rattus rattus). Они хорошо плавают и лазают, каналы и реки не были для них препятствием. Со временем в большинстве поселений человека, не связанных с приречными и приморскими районами, черную крысу вытеснил более крупный и агрессивный вид - серая крыса, или пасюк (Rattus norvegicus). Сверхвысокая численность и процветание крыс полностью обусловлены человеком. Крысы и паразитирующие на них блохи контактировали с пустынными грызунами - с песчанками, а в Индии - с дикоживущими видами крыс. Эти дикие виды были хранителями природных очагов чумы. Синантропные виды грызунов и их блохи переносили возбудителей чумы в человеческие популяции. Скотоводы-номады на севере - в зоне степей и полупустынь, а также на альпийских лугах - встретились с другими хранителями чумы - сусликами (Spermophilus) и сурками (Marmota). Человечество столкнулось с массовыми пандемиями чумы, от которых вымирали десятки и сотни тысяч, а в средневековье и миллионы. От чумы за историю человечества погибло не меньше людей, чем от всех войн.

Опустынивание обширных территорий в неолите стало причиной второго экологического кризиса. Из него человечество вышло двумя путями: 1) продвижением на север, где по мере таяния ледников освобождались новые территории; 2) переходом к поливному земледелию в долинах великих южных рек - Нила, Тигра и Евфрата, Инда и Ганга, Янцзы и Хуанхэ. Именно там возникли древнейшие цивилизации.

ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПОСЛЕДСТВИЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ЧЕЛОВЕКА В ДРЕВНЕЙШИХ ЗЕМЛЕДЕЛЬЧЕСКИХ ГОСУДАРСТВАХ

Поливное земледелие было несомненным прогрессом. Возросла урожайность, увеличились размеры поселений человека, число ирригационных каналов (рис. 3). Но рост численности домашних животных близ населенных пунктов приводил к опустыниванию. Козы уничтожали деревья. До нас дошел, я бы сказал, "экологический барельеф" времен Египетского Древнего царства (рис. 4). Перевыпас способствовал сведению кустарников и лесов вокруг поселений. Выбивание пастбищ вело к возникновению песчаных пустынь. Ирригация сопровождалась засолением почв и способствовала развитию глинистых и солончаковых пустынь на залежных землях.

Итак, при ирригации человек столкнулся с засолением почв. Заиливание каналов требовало регулярной чистки. Вынутый ил образовывал высокие валы вдоль каналов. Со временем оказывалось проще построить новый канал, чем чистить старый. В Месопотамии обнаружено 3-4 параллельно идущих канала разного возраста. Использовались методы дренажа почв. Однако это не спасало от падения их продуктивности. И в Месопотамии, и в Древнем Египте, и в Древнем Хорезме на месте некогда плодородных заливных угодий и тугаев возникли глинистые и солончаковые пустыни и полупустыни.

"Серия специальных изысканий, - пишет виднейший английский археолог Месопотамии Сетон Ллойд, - штрих за штрихом восстановила для нас картину неуклонного снижения продуктивности, вызванного отнюдь не какой-либо отдельной катастрофой_ а коренными и неистребимыми пороками в господствующей системе обработки земли_" [9]. Падение продуктивности почв из-за засоления привело к передаче власти от расположенного на юге Месопотамии Шумера к более северному Вавилону, где продуктивность почв не была еще нарушена. Через тысячу лет засоление и резкое снижение плодородия дошли и до Вавилона. По данным ассириолога Т. Якобсена, в Вавилоне изначально на пшеницу приходилось 16% урожая зерновых. Через 300 лет доля пшеницы упала до 2%, а в письменных источниках между 2000 и 1700 годами до н.э. пшеница вообще не упоминается. Из злаков уцелел ячмень, менее чувствительный к засолению, но и его урожайность упала. Возможно, что эти экологические последствия привели к переходу власти от Вавилона к расположенному севернее и тогда свободному от засоления почв Ассирийскому царству [10].

Пойменный ландшафт резко трансформировался - вместо пойменных болот с тростником, лотосом, цаплями, ибисами, кабанами и охотящимися за ними львами (в Передней Азии львы сохранялись до античности), последними тиграми (в Индии, Китае, Хорезме) возникли глинистые засоленные почвы, такыры, солончаки. Здесь развивалась флора глинистых пустынь и сопутствующая ей фауна.

Опустыниванию способствовало уничтожение кустарников (тамариска, саксаулов) и деревьев (ив, евфратского тополя в пойменных лесах, ливанского кедра и арчи в предгорных районах), связанное с перевыпасом и потребностью человека в топливе и строительных материалах. В свою очередь, опустынивание способствовало одомашниванию верблюдов (около 3 тыс. лет до н.э.).

Расширение поливного земледелия в предгорных районах потребовало террасирования склонов, что преобразило исходный ландшафт. На рисовых полях создались благоприятные условия для развития личинок малярийного комара (Anopheles). Если до поливного земледелия с малярийным комаром соприкасались лишь охотники и рыболовы во время посещения плавней, то цивилизации Нила, Месопотамии, Мургаба и Амударьи, Инда, Хуанхэ и Янцзы сделали такой контакт постоянным и способствовали распространению малярии. По-видимому, в то время начался эффективный отбор мутантных гемоглобинов человека, повышающих в гетерозиготном состоянии (sS, tT) устойчивость к малярии, но ведущих к гибели гомозигот от серповидноклеточной анемии (ss) и талассемии (tt).

Скопление на небольших приречных пространствах больших масс людей и скота привело к загрязнению речных вод. В то время появилось множество гельминтозов и иных паразитарных заболеваний человека. Возникли такие циклы развития паразитов (например, печеночного сосальщика), связанных с человеком и домашним скотом, которые целиком происходили в среде обитания человека. Впервые встала проблема качества питьевой воды. Уже в Месопотамии строятся специальные каналы с акведуками для транспортировки незагрязненной питьевой воды к городам, расположенным на больших реках.

Ирригация вела к смыву почв, заиливанию русел и устьев рек, росту дельт. Расширяющееся производство риса в Китае и Юго-Восточной Азии привело в действие новый антропогенный фактор - увеличение поступления в атмосферу метана за счет рисосеяния и углекислого газа за счет сжигания лесов под пастбища на севере. На нашей планете впервые возник парниковый эффект - проблема, со всей остротой вставшая перед человечеством в последней трети XX века.

После соединения овцеводства с коневодством возникли культуры скотоводов-номадов. Кочевничество животноводов моложе оседлого образа жизни растениеводов, и расхожее представление о примитивности кочевого образа жизни не выдерживает критики. Для борьбы с перевыпасом и более полного использования ресурсов пастбищ номады издревле использовали отгонное животноводство. Циклические колебания климата на планете особенно остро сказывались на скотоводах. Длительные засухи или эпидемии чумы у человека, сибирской язвы или ящура у скота заставляли номадов сниматься с мест. На смену кочевкам на немногие сотни километров от зимних пастбищ на равнине к летним пастбищам на альпийских горных лугах приходили многотысячекилометровые миграции через континент. Во время таких перемещений кочевники осваивали степные острова в лесной зоне, вытесняя оттуда местных охотников. Так, предки венгров-скотоводов освоили самый западный степной остров Евразии на Среднедунайской равнине. Предки якутов - номады, пришедшие из Монголии или Маньчжурии, освоили расположенные среди тайги якутские островные степи, вытеснив оттуда охотников - тунгусов и эвенков. К концу рассматриваемого периода доля охотников и рыболовов в населении планеты снизилась до 10%. Основной экологический пресс на природу теперь стало оказывать сельское хозяйство.

ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПОСЛЕДСТВИЯ ЭПОХИ ВЕЛИКИХ ГЕОГРАФИЧЕСКИХ ОТКРЫТИЙ

Эта тема необычайно обширна. 507 лет, прошедших со времени первого плавания Колумба, неузнаваемо изменили мир. Список вывезенных из Америки и завезенных туда видов культурных растений, домашних животных, синантропных видов огромен. Множество акклиматизированных видов на новом месте играют большую экологическую, экономическую и культурную роль, чем у себя на родине. Трудно представить Россию без картофеля, Украину без подсолнечника и кукурузы, Болгарию без томатов, Грузию без фасоли и чая, Узбекистан без хлопчатника, Канаду без пшеницы, "дикий Запад" США или Аргентину без крупного рогатого скота и лошадей, Австралию и Новую Зеландию без овец.

Интенсивное внедрение новых видов животных и растений, развитие земледелия и животноводства привели к новому наступлению на дикую природу. Численность населения Земли к 1500 году составила около 350 млн человек, из которых на долю охотников, рыболовов и собирателей приходился 1%. Но в абсолютном исчислении это была немалая цифра - 3,5 млн человек. Последующее освоение США, Канады, Бразилии, Аргентины, Сибири, Австралии привело к существенному разрушению природы этих стран, резкому сокращению численности аборигенов, уничтожению массы видов. Вместе с тем благодаря новым растительным ресурсам, освоению новых территорий под животноводство численность человечества смогла резко возрасти. Внедрение новых видов растений в культуру сыграло не меньшую роль, чем неолитическая революция и "зеленая" революция второй половины XX века. Численность крупного скота стала измеряться сотнями миллионов, а мелкого скота - миллиардами особей. Никогда ни один вид диких млекопитающих не достигал сопоставимой численности. (Сегодня на Земле, по данным ФАО, живет 2 млрд 200 млн голов крупного рогатого скота. Объем выделяемого ими метана существен для глобального потепления, домашние животные становятся глобальным экологическим фактором.)

Моряки Колумба привезли в Европу из Вест-Индии сифилис. Испанские конкистадоры завезли в Америку оспу. С испанскими мореплавателями в Америку из Европы была завезена 38-хромосомная черная крыса. Ее же португальцы расселили по Африке и Западной Индии. (Крысы, бегущие с тонущего корабля, - это именно черные крысы.) Мореплаватели Юго-Восточной Азии расселили по островам Океании восточноазиатский 42-хромосомный вид черной крысы. Вместе с товарами человек расселил по свету и не слишком любящую морские путешествия серую крысу, или пасюка. Из Евразии расселились синантропные домовые мыши. Для борьбы с крысами, мышами и змеями на тропические острова завозили из Индии мангуст. Мангусты успешно съедали крыс, затем уничтожали эндемичные виды грызунов и птиц, а затем вымирали и сами.

Особенно ранима фауна островов. На Мадагаскаре мальгаши в X-XII веках уничтожили гигантских нелетающих страусообразных птиц эпиорнисов. В Новой Зеландии маорийцы уничтожили гигантских моа. К XVII веку на острове Маврикий был уничтожен гигантский нелетающий голубь дронт, или додо. В XVIII веке русские уничтожили морскую корову на Командорских островах, в XIX веке европейские колонисты уничтожили аборигенов Тасмании, а в XX веке из-за конкуренции с завезенными сюда собаками (динго здесь не было!) исчез сумчатый волк.

Сейчас, когда человечество наконец начинает осознавать масштабы происходящего ныне экологического кризиса, когда при существующих темпах рубки лесов к 2061 году на Земле могут полностью исчезнуть сомкнутые леса, когда катастрофически падает биологическое разнообразие планеты, а вместе с этим теряется устойчивость экосистем, важно оценить уроки былых экологических кризисов в жизни Земли.

"Промышленная революция" - возрастающее использование угля, выплавка железа, изобретение новых видов техники, в том числе парового двигателя. Переход от мануфактурного производства к фабричному с разделением труда и ростом его производительности. Демографические, социальные и экологические последствия перехода: ускоряющийся рост народонаселения, хищническая эксплуатация природных ресурсов, возрастающее загрязнение среды в промышленных центрах.

Современная "научно-техническая революция" - качественная и количественная особенность нового этапа: создание материалов, ранее не существовавших в природе; многократная интенсификация антропогенного воздействия; переход от очагового воздействия на природу к сплошному.

Лекция №8

Тема: Изменение климата

План лекции:

1. Климат и жизнь.

2. Климат до четвертичного времени.

3. Климатические условия плейстоцена.

4. Климатические условия голоцена.

5. Современные изменения климата.

Понятие климат.

Кли?мат (др.-греч. ????? (род. п. ????????) - наклон[1]) - многолетний режим погоды, характерный для данной местности в силу её географического положения.

По мнению специалистов, климат - это чрезвычайно сложная физическая система, поведение которой определяется взаимодействием между космосом, атмосферой, поверхностью океанов и континентов, ледниками, вулканами, а также биотой. Благодаря этим взаимодействиям в климатической системе возникают сложные естественные колебания с временными масштабами от нескольких недель до десятков и сотен лет

Изменение климата в прошлом.

Климат на нашей планете всегда был подвержен сильным колебаниям. Об этом свидетельствуют многочисленные данные геологии, геохимии, археологии, палеонтологии и климатологии. На протяжении 4.6 млрд. лет существования нашей планеты неоднократно теплые периоды сменялись холодными, а холодные - теплыми (рис. 2). Например, около 900 млн. лет назад на Земле произошло, по крайней мере, три мощных оледенения, из которых Лапландское оледенение (600 млн. лет назад) , по мнению специалистов, было самым крупным за всю историю нашей планеты

Периоды существования контрастного климата с холодными полюсами, как в далекую позднепалеозойскую, так и в современную кайнозойскую эры, специалисты называют криоэрами (от греческого kryos - холод), а выровненного по всей Земле климата, соответственно, термоэрами. Примером термоэры может служить мезозой с его теплым климатом и слабым температурным градиентом между тропиками и полюсом.

На протяжении последних 1.8 млн. лет уже в наш так называемый четвертичный (антропогенный) период происходило неоднократное чередование ледниковых и межледниковых циклов (всего около 22). За последний миллион лет произошло 8 наиболее холодных периодов, когда гигантский ледяной щит достигал в Европе широт Киева, а в Северной Америке - Чикаго.

Американские специалисты с помощью специальной программы картирования подробно исследовали изменения климата за последние 450 тыс. лет. Были восстановлены ландшафты, температура поверхности воды и орография (расположение гор). Методами спектрального анализа различных косвенных показателей климата были установлены три периодичности колебаний климата в течение 450 тыс. лет. Период в 100 тыс. лет был связан с периодом колебания отношения расстояния от Солнца до Земли к длине главной оси земной орбиты. Периодичность в 40-43 тыс. лет связана с периодическими изменениями угла наклона плоскости экватора к плоскости орбиты Земли. Третий период порядка 19-23 тыс. лет был связан с прецессиями (медленными движениями оси вращения Земли по круговому конусу) земной орбиты.

Наиболее полные данные об изменении климата за последние 150 тыс. лет получены с помощью бурения и анализа колонок континентальных льдов в Антарктиде и Гренландии.

Другой современный метод - радиоуглеродный анализ (анализ соотношения изотопов кислорода 18О/16О) позволил получить достаточно точные данные об изменении климата на протяжении последних 50 тыс. лет. Результаты двух независимых анализов показали, что последний ледниковый период начался около 80 тыс. лет назад и закончился примерно 10-15 тыс. лет назад. Таким образом, мы живем в межледниковую фазу, до окончания которой остается не так уж много времени по геологическим меркам - 1-2 тысячи лет, а, возможно, и еще меньше.

Согласно данным известного российского геофизика В.В. Клименко, в последние 10 тыс. лет, в так называемый голоценовый период, климат сильно изменился. После окончания ледникового периода началось быстрое потепление климата (рис. 4). До этого времени Европа была покрыта огромным ледовым щитом, содержащим примерно такой же объем льда, как покрывающий поверхность современной Антарктиды.

Над Москвой максимальная толщина льда составляла 300-400 м, центр этого ледового щита располагался над Скандинавией. Второй такой же мощный ледовый щит располагался над Северной Америкой. Эти ледовые щиты хранили в себе огромное количество воды, в результате уровень Мирового океана был на 120 м ниже современного. Это значит, что все континенты, кроме Антарктиды, соединялись друг с другом сухопутными мостами.

После освобождения Земли от континентальных ледовых щитов наступил довольно продолжительный период, при котором температура была существенно выше современной - на 1-1.5oC. Этот период получил название климатического оптимума голоцена. Это был век чрезвычайно благоприятных природных и климатических условий, он предшествовал появлению человеческой цивилизации. Именно благодаря этим благоприятным условиям, считают специалисты, стало активно развиваться скотоводство и земледелие в Северной Африке, на Среднем Востоке и в долине Инда в Индии.

Современные спутниковые съемки показывают наличие высохших русел рек в пустыне Сахара, это свидетельствует о том, что около 5 тыс. лет назад через Сахару протекали полноводные реки и на ее территории присутствовала растительность. Этот климатический оптимум властвовал на планете примерно в течение 4 тыс. лет (8000-4000 лет назад). Около 4 тыс. лет назад в Северном полушарии началось похолодание, в результате чего многие субтропические области превратились в пустыни, а климат высоких широт стал более суровым (рис. 4). Это привело к исчезновению целых культур в Аравии, Сахаре, долине Инда и др. Люди переселились на возвышенности в долины Тигра, Евфрата и др., образовав новые цивилизации.

В IV-III вв. до н. э. установился очень холодный период, по времени исторически совпадающий со временем ранней античности.

Затем начался длительный период потепления климата вплоть до третьего столетия нашей эры, который затем сменился выраженным похолоданием (рис. 5). В VI в. вновь началось мощное потепление климата.

В течение последних 800 лет, как показали данные, полученные с помощью палеодендрологического метода (когда о сезонной температуре воздуха судят по ширине колец на срезах окаменевших деревьев), наблюдалось около шести относительно холодных и шесть теплых периодов продолжительностью от 60 до 90 лет.

В теплый период (700-1350 гг.), названый специалистами малым климатическим оптимумом, температура была примерно на 1.5оС выше, чем в последующий период, и несколько выше, чем во время потепления 20-40-х гг. ХХ в. Увеличилось и количество осадков.

Ледовая обстановка в Северной Атлантике стала благоприятной для плавания древних лодок, пишет в своей книге Е.П. Борисенков (1982).

Только благодаря мощному потеплению викинги смогли достичь Гренландии и основать там поселения.

Далее наступило похолодание, охватившее несколько веков (XIV-XVII). Его часто называют малым ледниковым периодом.

С середины XIX в. увеличивается число мягких зим, вновь улучшаются ледовые условия в Арктике, дождливых лет с наводнениями становится меньше. Начинается очередное потепление климата в Северном полушарии. Отчетливо проявляется температурный тренд с максимумом потепления в высоких широтах в 30-40-х гг. ХХ в. Если в малый ледниковый период льды сковывали побережье Исландии около 140 дней, то в 1920-1939 гг. всего 14-20 дней.

Резко уменьшилось количество арктических льдов. Так, в восточном секторе Арктики площадь льдов в период с 1924 по 1945 гг. сократилась почти на 1 млн. км2. Именно благодаря этому удалось наладить перевозку грузов на судах по Северному морскому пути. Началось сильное отступление горных ледников в Альпах. Один из ледников отступил почти на 1500 м. Сходная картина наблюдалась на Шпицбергене, в Гренландии, Скандинавии, на севере Канады, в Кордильерах Северной Америки. Уменьшились в размерах ледники на Алтае, Памире, Кавказе, в Турции и даже в горах Восточной Африки. Граница вечной мерзлоты на всей протяженности земного шара отступила на север, а температура мерзлых пород повысилась в начале 40-х гг. примерно на 2оС.

В середине 40-х гг. ХХ в. началось временное похолодание, которое характеризовалось понижением температуры воздуха, нестабильностью атмосферных явлений. Это похолодание не было повсеместным, оно носило четко выраженный региональный характер. Так, температура поверхности воды в Северной Атлантике снизилась при мерно с 12 до 11оС. Вновь начали наступать горные ледники. Потом наблюдался период повышения температуры (конец 50-х - начало 60-х гг.), который сменился периодом похолодания, достигшим максимума в середине 60-х гг. После этого климат опять стал теплеть.

Современное потепление

Согласно сторонникам широко известного "парникового эффекта", в результате хозяйственной деятельности человека (развития энергетики, индустрии и сельского хозяйства, сжигания древесины и ископаемого топлива, вырубки лесов и т.д.) атмосфера постепенно обогащается избыточными количествами газовых примесей (диоксидом углерода, метаном, хлорфторуглеродами и др.), которые влияют на радиационный баланс Земли, сдвигая его в сторону накопления тепла в нижней тропосфере. Это ведет к повышению глобальной температуры воздуха на планете. То есть,42 43 предполагается, что увеличение содержания парниковых газов в атмосфере - основная причина современного потепления климата на планете. Поэтому считается, что если сократить их выбросы по всей планете, ограничивая промышленную деятельность человека (согласно Киотскому протоколу), то можно затормозить дальнейшее потепление климата, которое грозит большими проблемами для всего человечества.

Однако есть ряд ученых в мире, в частности - в России, которые полагают, что повышенная концентрация углекислого газа в атмосфере есть следствие, а не причина потепления. Они указывают на то, что на нашей планете неоднократно наблюдались периоды глобального потепления в те далекие и не очень далекие времена, когда никакой промышленной цивилизации на Земле еще не было, да и самого человека, как вида, еще не существовало (см. предыдущие разделы). Они полагают, что повышенная концентрация углекислого газа в атмосфере всегда сопровождает глобальные потепления, которые вызываются естественными причинами. В подтверждение этого они приводят данные о содержании CO2 в пробах (кернах) льда, взятого в Антарктиде с глубин в 1 км и более.

Лекция №9

Тема: Проблема озона и кислотных осадков

План лекции:

1. Проблема озона

2. Кислотные осадки

1. Проблема озона

Озоновая дыра диаметром свыше 1000 км впервые была обнаружена в 1985 году, на Южном полушарии, над Антарктидой, группой британских учёных: Дж. Шанклин (англ.), Дж. Фармен (англ.), Б. Гардинер (англ.), опубликовавших соответствующую статью в журнале Nature. Каждый август она появлялась, а в декабре - январе прекращала своё существование. Над Северным полушарием в Арктике образовывалась другая дыра, но меньших размеров. На данном этапе развития человечества, мировые ученые доказали, что на Земле существует громадное количество озоновых дыр. Но наиболее опасная и крупная расположена над Антарктикой.

Озо?новая дыра? - локальное падение концентрации озона в озоновом слое Земли. По общепринятой в научной среде теории, во второй половине XX века всё возрастающее воздействие антропогенного фактора в виде выделения хлор- и бромсодержащих фреонов привело к значительному утончению озонового слоя, см., например, доклад Всемирной метеорологической организации:[1]

Эти и другие недавно полученные научные данные укрепили вывод предыдущих оценок в том, что перевес в пользу научных доказательств свидетельствует о том, что наблюдаемая потеря озона в средних и высоких широтах в основном обусловлена антропогенными хлор- и бромсодержащими соединениями

В результате отсутствия солнечного излучения, во время полярных ночей озон не образуется. Нет ультрафиолета - нет озона. Имея большую массу, молекулы озона опускаются к поверхности Земли и разрушаются, так как неустойчивы при нормальном давлении.

Роуланд и Молина предположили, что атомы хлора могут вызвать разрушение больших количеств озона в стратосфере. Их выводы были основаны на аналогичной работе Пауля Джозефа Крутцена и Харольда Джонстоуна, которые показали, что оксид азота (II) (NO) может ускорять разрушение озона.

К уменьшению концентрации озона в атмосфере ведёт совокупность факторов, главными из которых является гибель молекул озона в реакциях с различными веществами антропогенного и природного происхождения, отсутствие солнечного излучения в течение полярной зимы, особо устойчивый полярный вихрь, который препятствует проникновению озона из приполярных широт, и образование полярных стратосферных облаков (ПСО), поверхность частиц которого катализируют реакции распада озона. Эти факторы особенно характерны для Антарктики, в Арктике полярный вихрь намного слабее ввиду отсутствия континентальной поверхности, температура выше на несколько градусов, чем в Антарктике, а ПСО менее распространены, к тому же имеют тенденцию к распаду в начале осени. Будучи химически активными, молекулы озона могут реагировать со многими неорганическими и органическими соединениями. Главными веществами, вносящими вклад в разрушение молекул озона, являются простые вещества (водород, атомы кислорода, хлора, брома), неорганические (хлороводород, монооксид азота) и органические соединения (метан, фторхлор- и фторбромфреоны, которые выделяют атомы хлора и брома). В отличие, например от гидрофторфреонов, которые распадаются до атомов фтора, которые, в свою очередь, быстро реагируют с водой образуя стабильный фтороводород. Таким образом, фтор не участвует в реакциях распада озона. Йод также не разрушает стратосферный озон, так как иодсодержащие органические вещества почти полностью расходуются ещё в тропосфере. Основные реакции, вносящие вклад в разрушение озона приведены в статье про озоновый слой.

Фреоны используют, главным образом, как легко испаряющуюся жидкость в производстве пористых материалов и как хладагент в холодильных установках. Согласно техногенно-фреоновой гипотезе, весь промышленный фреон попадает в стратосферу, где на высоте 20-25 км находится озоновый слой. В стратосфере под действием ультрафиолетовых лучей солнца хлор, входящий в состав фреона, вступает в реакцию с озоном и разрушает его. Однако, у этой гипотезы есть противоречие. Так, самая большая озонная дыра располагается над Антарктидой, тогда как основные источники техногенного фреона находятся в северном полушарии. Обмен между воздушными массами обоих полушарий затруднен, что установлено, в частности, при исследовании движения продуктов ядерных испытаний. Кроме того, техногенно-фреоновая гипотеза не дает хоть сколько-нибудь точных прогнозов, хотя в ее распоряжении находятся точные данные по расположению и количеству промышленного фреона.

В.Л.Сывороткин разработал альтернативную гипотезу, согласно которой озоновый слой уменьшается по естественным причинам. Известно, что цикл разрушения озона хлором не единственный. Существуют также азотный и водородный циклы разрушения озона. Именно водород - "главный газ Земли". Основные его запасы сосредоточены в ядре планеты и через систему глубинных разломов (рифтов) поступают в атмосферу. По примерным оценкам, природного водорода в десятки тысяч раз больше, чем хлора в техногенных фреонах. Однако решающим фактором в пользу водородной гипотезы Сывороткин В.Л. считает то, что очаги озоновых аномалий всегда располагаются над центрами водородной дегазации Земли.

Система рифтовых зон Земли сегодня хорошо изучена геологами, и это дает возможность прогнозировать расположение озонных дыр. Так постоянство озонной дыры над Антарктидой объясняется тем, что главные каналы дегазации - срединно-океанские рифты - сближаются вокруг Антарктиды и увеличивают "водородную продувку атмосферы" в этом районе. Кроме того, на Антарктиде расположен действующий вулкан Эребус с наибольшими газовыми выбросами в атмосферу. Кстати, американская станция Мак-Мердо, следящая за состоянием атмосферы, находится у подножия этого вулкана. Учитывая повышение сейсмической активности в районе срединно-океанского рифта, В.Л.Сывороткин предсказал образование крупной озонной дыры над экваториальной зоной восточной части Тихого океана (январь 1998).

По мнению В.Л.Сывороткина, обеднение озонового слоя Земли - явление прогрессирующее. И связано оно напрямую с усилением глубинной дегазации нашей планеты. Однако причины этого усиления неясны.

2. Кислотные осадки

Впервые термин "кислотный дождь" был введен в 1882 году английским учёным Робертом Смитом в книге "Воздух и дождь: начало химической климатологии".[2] Его внимание привлек викторианский смог в Манчестере. И хотя ученые того времени отвергли теорию о существовании кислотных дождей, сегодня уже никто не сомневается, что кислотные дожди являются одной из причин гибели лесов, урожаев и растительности. Кроме того, кислотные дожди разрушают здания и памятники культуры, трубопроводы, приводят в негодность автомобили, понижают плодородие почвы и могут приводить к просачиванию токсичных металлов в водоносные слои почвы.

Вода обычного дождя тоже представляет собой слабокислый раствор. Это происходит вследствие того, что природные вещества атмосферы, такие как углекислый газ, вступают в реакцию с дождевой водой. При этом образуется слабая угольная кислота, тогда как в идеале pH дождевой воды равняется 5-6,5-7. В реальной жизни показатель кислотности дождевой воды в одной местности может отличаться от показателя кислотности дождевой воды в другой местности. Это, прежде всего, зависит от состава газов, содержащихся в атмосфере той или иной местности, таких как оксид серы и оксиды азота.

В 1883 году шведский ученый Сванте Август Аррениус ввел в обращение два термина - кислота и основание. Он назвал кислотами вещества, которые при растворении в воде образуют свободные положительно заряженные ионы водорода. Основаниями он назвал вещества, которые при растворении в воде образуют свободные отрицательно заряженные гидроксид-ионы. Водородный показатель является взятым с обратным знаком десятичным логарифмом активности ионов водорода в растворе и его используют в качестве показателя кислотности воды.

Даже нормальная дождевая вода имеет слабокислую реакцию из-за наличия в воздухе диоксида углерода. А кислотный дождь образуется в результате реакции между водой и такими загрязняющими веществами, как оксид серы и различными оксидами азота. Эти вещества выбрасываются в атмосферу автомобильным транспортом, в результате деятельностиметаллургических предприятий, тепловых электростанций. Соединения серы, сульфид, самородная сера и другие содержатся: в углях и в руде (особенно много сульфидов в бурых углях, при сжигании или обжиге которых образуются летучие соединения - оксид серы IV (сернистый ангидрид), оксид серы VI (серный ангидрид), сероводород - (образуется в малых количествах при недостаточном обжиге или неполном сгорании, при низкой температуре). Различные соединения азота содержатся в углях, и особенно в торфе (так как азот, как и сера, входит в состав биологических структур, из которых образовались эти полезные ископаемые). При сжигании таких ископаемых образуются оксиды азота (например, оксид азота, вступая в реакцию с водой атмосферы, под воздействием солнечного излучения, или так называемых "фотохимических реакций"), которые превращаются в растворы кислот -серной, сернистой, азотистой и азотной. Затем, вместе со снегом или дождем, они выпадают на землю.

Последствия выпадения кислотных дождей наблюдаются в США, Германии, Чехии, Словакии, Нидерландах, Швейцарии, Австралии, республиках бывшей Югославии и ещё во многих странах земного шара. Кислотный дождь оказывает отрицательное воздействие на водоемы - озера, реки, заливы, пруды - повышая их кислотность до такого уровня, что в них погибает флора и фауна. Выделяют три стадии воздействия кислотных дождей на водоемы. Первая стадия - начальная. С увеличением кислотности воды (показатели рН меньше 7) водяные растения начинают погибать, лишая других животных водоема, пищи, уменьшается количество кислорода в воде, начинают бурно развиваться водоросли (буро-зеленые). Первая стадия эутрофикации (заболачивания) водоема. При кислотности рН 6 погибают пресноводные креветки. Вторая стадия - кислотность повышается до рН 5.5, погибают донные бактерии, которые разлагают органические вещества и листья, и органический мусор начинает скапливаться на дне. Затем гибнет планктон - крошечное животное, которое составляет основу пищевой цепи водоема и питается веществами, образующимися при разложении бактериями органических веществ. Третья стадия - кислотность достигает рН 4.5, погибает вся рыба, большинство лягушек и насекомых. Первая и вторая стадии обратимы при прекращении воздействия кислотных дождей на водоем. По мере накопления органических веществ на дне водоемов из них начинают выщелачиваться токсичные металлы. Повышенная кислотность воды способствует более высокой растворимости таких опасных металлов, как кадмий, ртуть и свинец из донных отложений и почв.

Эти токсичные металлы представляют опасность для здоровья человека. Люди, пьющие воду с высоким содержанием свинца или принимающие в пищу рыбу с высоким содержанием ртути, могут приобрести серьёзные заболевания. Кислотный дождь наносит вред не только водной флоре и фауне. Он также уничтожает растительность на суше. Ученые считают, что хотя до сегодняшнего дня механизм до конца ещё не изучен, "сложная смесь загрязняющих веществ, включающая кислотные осадки, озон, и тяжелые металлы в совокупности приводят к деградации лесов.[3] Экономические потери от кислотных дождей в США, по оценкам одного исследования, составляют ежегодно на восточном побережье 13 миллионов долларов и к концу века убытки достигнут 1.750 миллиардов долларов от потери лесов; 8.300 миллиардов долларов от потери урожаев (только в бассейне реки Огайо) и только в штате Миннесота 40 миллионов долларов на медицинские расходы. Единственный способ изменить ситуацию к лучшему, по мнению многих специалистов,- это уменьшить количество вредных выбросов в атмосферу).

Лекция №10

Тема: Воздействие человека на гидросферу

Цель лекции: ознакомить с экологическими проблемами, возникающими при использовании водных ресурсов.

План лекции:

1. Водные ресурсы.

2. Распространение воды в природе.

3. Использование воды в с/х производстве

Основные понятия по теме: водные ресурсы, водная эрозия, мелиорация, ирригация, орошение.

1. ВОДНЫЕ РЕСУРСЫ

Воды, пригодные для использования в хозяйстве. Особенно важны ресурсы пресной воды, которая составляет менее 3% общего объема гидросферы. Запасы доступной пресной воды распределены крайне неравномерно: в Африке только 10% населения обеспечены регулярным водоснабжением, а в Европе этот показатель превышает 95%. Все напряженнее становится положение с водой в больших городах мира (Париж, Токио, Мехико, Нью-Йорк). Дефицит связан с увеличением расходования запасов и с загрязнением гидросферы.

Краткий географический словарь. EdwART. 2008.

во?дные ресу?рсы

пригодные для использования пресные воды, заключённые в реках, озёрах, водохранилищах, ледниках, подземных водах, а также почвенная влага. Пары атмосферы, солёные воды океанов и морей, не используемые в хозяйстве, составляют потенциальные водные ресурсы. Общий объём водных ресурсов оценивается в 1,4 млрд. км?, из них на долю пресных вод приходится только 2 %, а на долю технически доступных для использования - всего 0,3 %. Забор воды из всех источников составляет ок. 4000 км? в год. Водные ресурсы используются в энергетике, для орошения земель, промышленного, с.-х., коммунально-бытового водоснабжения, а также в качестве транспортных путей. При использовании водных ресурсов их количество либо не меняется вообще (напр., в гидроэнергетике, водном транспорте), либо часть их изымается (для орошения, коммунального водоснабжения). Эта часть составляет безвозвратные потери для данной территории. При этом общие запасы водных ресурсов на Земле неисчерпаемы, т. к. они непрерывно возобновляются в процессе глобального круговорота воды. Доступный устойчивый речной сток рек, составляющий ок. 9000-12 000 км? в год, представляет собой возобновляемые водные ресурсы суши, которые можно изымать для хоз. нужд. По суммарному значению возобновляемых водных ресурсов лидируют Бразилия, Россия, Канада, Китай, США, Индонезия, Бангладеш, Индия. В ряде р-нов отмечается количественное и качественное (из-за загрязнения) истощение водных ресурсов. Ок. 1/3 населения мира проживает в странах, испытывающих дефицит пресной воды. В зоне дефицита находится 50 % тер. Азии, 20 % Европы, ок. 30 % Сев. Америки, почти вся Австралия. Р-ны с избытком водных ресурсов расположены в экваториальных и субполярных широтах, а также во многих областях умеренного пояса. Поверхностный сток России составляет 10 % мирового. Однако 90 % приходится на бас. Сев. Ледовитого и Тихого океанов, в то же время на бас. Азовского и Каспийского морей, где проживает более 80 % населения, приходится менее 8 % годового объёма речного стока.

География. Современная иллюстрированная энциклопедия. - М.: Росмэн. Под редакцией проф. А. П. Горкина. 2006.

водные ресурсы

вoды в жидком, твердом и газообразном состоянии и их распределение на Земле. Они находятся в естественных водоемах на поверхности (в океанах, реках, озерах и болотах); в недрах (подземные воды); во всех растениях и животных; а также в искусственных водоемах (водохранилищах, каналах и пр.).

Вода - единственное вещество, которое в природе присутствует в жидком, твердом и газообразном состояниях. Значение жидкой воды существенно меняется в зависимости от местонахождения и возможностей применения. Пресная вода шире используется, чем соленая. Свыше 97% всей воды сосредоточено в океанах и внутренних морях. Еще ок. 2% приходится на долю пресных вод, заключенных в покровных и горных ледниках, и лишь менее 1% - на долю пресных вод озер и рек, подземных и грунтовых.

Вода, самое распространенное соединение на Земле, обладает уникальными химическими и физическими свойствами. Поскольку она легко растворяет минеральные соли, живые организмы вместе с ней поглощают питательные вещества без каких-либо существенных изменений собственного химического состава. Таким образом, вода необходима для нормальной жизнедеятельности всех живых организмов. Молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода. Ее молекулярный вес всего 18, а точка кипения достигает 100° C при атмосферном давлении 760 мм рт. ст. На бoльших высотах, где давление ниже, чем на уровне моря, вода закипает при более низких температурах. Когда вода замерзает, ее объем увеличивается более чем на 11%, и расширяющийся лед может разрывать водопроводные трубы и мостовые и разрушать скальные породы, превращая их в рыхлый грунт. По плотности лед уступает жидкой воде, что и объясняет его плавучесть.

Вода также обладает уникальными термическими свойствами. Когда ее температура понижается до 0° C и она замерзает, то из каждого грамма воды высвобождается 79 кал. При ночных заморозках фермеры иногда опрыскивают сады водой для защиты бутонов от повреждения морозом. При конденсации водяного пара каждый его грамм отдает 540 кал. Эта теплота может быть использована в отопительных системах. Благодаря высокой теплоемкости вода поглощает большое количество теплоты без изменения температуры.

Молекулы воды сцепляются посредством "водородных (или межмолекулярных) связей", когда кислород одной молекулы воды соединяется с водородом другой молекулы. Вода также притягивается к другим водород- и кислородсодержащим соединениям (т.н. молекулярное притяжение). Уникальные свойства воды определяются прочностью водородных связей. Силы сцепления и молекулярного притяжения позволяют ей преодолевать силу тяжести и вследствие капиллярности подниматься вверх по мелким порам (например, в сухой почве).

2. РАСПРОСТРАНЕНИЕ ВОДЫ В ПРИРОДЕ

При изменении температуры воды изменяются и водородные связи между ее молекулами, что в свою очередь приводит к изменению ее состояния - от жидкого до твердого и газообразного.

Поскольку жидкая вода является прекрасным растворителем, она редко бывает абсолютно чистой и содержит минеральные вещества в растворенном или взвешенном состоянии. Лишь 2,8% из 1,36 млрд. км3 всей имеющейся на Земле воды приходится на долю пресной, причем бoльшая ее часть (ок. 2,2%) находится в твердом состоянии в горных и покровных ледниках (преимущественно в Антарктиде) и только 0,6% - в жидком. Примерно 98% жидкой пресной воды сосредоточено под землей. Соленые воды океанов и внутренних морей, занимающих более 70% земной поверхности, составляют 97,2% всех вод Земли. См. также ОКЕАН.

Круговорот воды в природе. Хотя общие запасы воды в мире неизменны, постоянно происходит ее перераспределение, и, таким образом, она является возобновимым ресурсом. Круговорот воды происходит под влиянием солнечной радиации, которая стимулирует испарение воды. При этом осаждаются растворенные в ней минеральные вещества. Водяной пар поднимается в атмосферу, где конденсируется, и благодаря силе тяжести вода возвращается на землю в виде осадков - дождя или снега (См. также ДОЖДЬ). Бoльшая часть осадков выпадает над океаном и лишь менее 25% - над сушей. Около 2/3 этих осадков в результате испарения и транспирации поступает в атмосферу и лишь 1/3 стекает в реки и просачивается в грунт. См. такжеГИДРОЛОГИЯ.

Сила тяжести способствует перераспределению жидкой влаги с более высоких участков на более низкие как на земной поверхности, так и под ней. Вода, первоначально приведенная в движение солнечной энергией, в морях и океанах перемещается в виде океанических течений, а в воздухе - в облаках.

Географическое распределение осадков. Объем естественного возобновления водных запасов за счет атмосферных осадков различается в зависимости от географического положения и размеров частей света. Например, Южная Америка ежегодно получает почти втрое больше осадков, чем Австралия, и почти вдвое больше, чем Северная Америка, Африка, Азия и Европа (перечислены в порядке уменьшения годового количества осадков). Часть этой влаги возвращается в атмосферу в результате испарения и транспирации растениями: в Австралии эта величина достигает 87%, а в Европе и Северной Америке - лишь 60%. Остальная часть осадков стекает по земной поверхности и в конце концов с речным стоком достигает океана.

В пределах материков количество осадков также в значительной степени варьирует от места к месту. Например, в Африке, на территории Сьерра-Леоне, Гвинеи и Кот д'Ивуара ежегодно выпадает более 2000 мм осадков, на большей части центральной Африки - от 1000 до 2000 мм, но при этом в некоторых северных районах (пустыня Сахара и Сахель) количество осадков составляет лишь 500-1000 мм, а в южных - Ботсване (включая пустыню Калахари) и Намибии - менее 500 мм.

Восточная Индия, Бирма и часть Юго-Восточной Азии получают более 2000 мм осадков в год, а бoльшая часть остальной Индии и Китая - от 1000 до 2000 мм, при этом северный Китай - лишь 500-1000 мм. На территории северо-западной Индии (включая пустыню Тар), Монголии (включая пустыню Гоби), Пакистана, Афганистана и бoльшей части Среднего Востока ежегодно выпадает менее 500 мм осадков.

В Южной Америке годовое количество осадков в Венесуэле, Гайане и Бразилии превышает 2000 мм, бoльшая часть восточных районов этого материка получает 1000-2000 мм, но Перу и некоторые районы Боливии и Аргентины - лишь 500-1000 мм, а Чили - менее 500 мм. В расположенных севернее некоторых областях Центральной Америки выпадает свыше 2000 мм осадков в год, в юго-восточных районах США - от 1000 до 2000 мм, а в ряде районов Мексики, на северо-востоке и Среднем Западе США, в восточной Канаде - 500-1000 мм, тогда как в центральной Канаде и на западе США - менее 500 мм.

На крайнем севере Австралии годовое количество осадков составляет 1000-2000 мм, в некоторых других северных районах оно колеблется от 500 до 1000 мм, но бoльшая часть материка и особенно его центральные районы получают менее 500 мм.

На бoльшей части бывшего СССР также выпадает менее 500 мм осадков в год.

Временные циклы доступности воды. В любой точке земного шара речной сток испытывает суточные и сезонные колебания, а также меняется с периодичностью в несколько лет. Эти вариации часто повторяются в определенной последовательности, т.е. являются цикличными. Например, расходы воды в реках, берега которых покрыты густым растительным покровом, обычно выше ночью. Это объясняется тем, что с рассвета до заката растительность использует грунтовые воды для транспирации, вследствие чего происходит постепенное сокращение речного стока, но его объем снова увеличивается ночью, когда транспирация прекращается.

Сезонные циклы водообеспеченности зависят от особенностей распределения осадков в течение года. Например, на Западе США дружное таяние снега происходит весной. В Индии зимой выпадает незначительное количество осадков, а в разгар лета начинаются обильные муссонные дожди. Хотя среднегодовой речной сток почти постоянен на протяжении ряда лет, экстремально высоким или экстремально низким он бывает раз в 11-13 лет. Возможно, это связано с цикличностью солнечной активности. Сведения о цикличности хода осадков и речного стока используются при прогнозе водообеспеченности и повторяемости засух, а также при планировании водоохранной деятельности.

ИСТОЧНИКИ ВОДЫ

Основным источником пресной воды являются атмосферные осадки, но для потребительских нужд могут также использоваться и два других источника: подземные и поверхностные воды.

Подземные источники. Примерно 37,5 млн. км3, или 98% всей пресной воды в жидком состоянии приходится на подземные воды, причем ок. 50% из них залегает на глубинах не более 800 м. Однако объем доступных подземных вод определяется свойствами водоносных горизонтов и мощностью откачивающих воду насосов. Запасы подземных вод в Сахаре оцениваются примерно в 625 тыс. км3. В современных условиях они не пополняются за счет поверхностных пресных вод, а при откачке истощаются. Некоторые наиболее глубоко залегающие подземные воды вообще никогда не включаются в общий круговорот воды, и только в районах активного вулканизма такие воды извергаются в форме пара. Однако значительная масса подземных вод все же проникает на земную поверхность: под действием силы тяжести эти воды, двигаясь вдоль водонепроницаемых наклоннозалегающих пластов горных пород, выходят у подножий склонов в виде источников и ручьев. Кроме того, они откачиваются насосами, а также извлекаются корнями растений и затем в процессе транспирации поступают в атмосферу.

Зеркало грунтовых вод представляет собой верхний предел доступных подземных вод. При наличии уклонов зеркало грунтовых вод пересекается с земной поверхностью, и образуется источник. Если подземные воды находятся под большим гидростатическим давлением, то в местах их выхода на поверхность формируются артезианские источники. С появлением мощных насосов и развитием современной буровой техники извлечение подземных вод облегчилось. Для обеспечения подачи воды в мелкие колодцы, установленные на водоносных горизонтах, применяются насосы. Однако в скважинах, пробуренных на бoльшую глубину, до уровня напорных артезианских вод, последние поднимаются и насыщают вышележащие грунтовые воды, а иногда выходят на поверхность. Подземные воды перемещаются медленно, со скоростью нескольких метров за сутки или даже за год. Ими обычно насыщены пористые галечные или песчаные горизонты или относительно водонепроницаемые пласты глинистых сланцев, и лишь изредка они сосредоточены в подземных полостях или в подземных потоках. Для правильного выбора места бурения колодца обычно требуются сведения о геологическом строении территории.

В некоторых частях земного шара растущее потребление подземных вод имеет серьезные последствия. Откачка большого объема подземных вод, несопоставимо превышающего их естественное пополнение, приводит к нехватке влаги, а понижение уровня этих вод требует бoльших затрат на дорогостоящую электроэнергию, используемую для их извлечения. В местах истощения водоносного горизонта земная поверхность начинает проседать, и там осложняется восстановление водных ресурсов естественным путем.

В прибрежных районах чрезмерный забор подземных вод приводит к замещению пресной воды в водоносном горизонте морской, соленой, и таким образом происходит деградация местных источников пресной воды.

Постепенное ухудшение качества подземных вод в результате накопления солей может иметь еще более опасные последствия. Источники солей бывают как природными (например, растворение и вынос минералов из грунтов), так и антропогенными (внесение удобрений или чрезмерный полив водой с высоким содержанием солей). Реки, питающиеся от горных ледников, обычно содержат менее 1 г/л растворенных солей, но минерализация воды в иных реках достигает 9 г/л вследствие того, что они на большом протяжении дренируют территории, сложенные соленосными породами.

В результате беспорядочного сброса или захоронения токсичных химических веществ происходит их просачивание в водоносные горизонты, являющиеся источниками питьевой или ирригационной воды. В ряде случаев достаточно всего нескольких лет или десятилетий, чтобы вредные химические вещества попали в подземные воды и накопились там в ощутимых количествах. Однако, если водоносный горизонт был однажды загрязнен, для его естественного самоочищения потребуется от 200 до 10 000 лет.

Поверхностные источники. Лишь 0,01% от общего объема пресной воды в жидком состоянии сосредоточена в реках и ручьях и 1,47% - в озерах. Для накопления воды и постоянного обеспечения ею потребителей, а также для предотвращения нежелательных паводков и производства электроэнергии на многих реках сооружены плотины. Наибольшие средние расходы воды, а следовательно, и наибольший энергетический потенциал имеют Амазонка в Южной Америке, Конго (Заир) в Африке, Ганг с Брахмапутрой в южной Азии, Янцзы в Китае, Енисей в России и Миссисипи с Миссури в США. См. также река.

Естественные пресноводные озера, вмещающие ок. 125 тыс. км3 воды, наряду с реками и искусственными водохранилищами являются важным источником питьевой воды для людей и животных. Они также используются и для орошения сельскохозяйственных земель, навигации, рекреации, рыболовства и, к сожалению, для сброса бытовых и промышленных стоков. Иногда вследствие постепенного заполнения наносами или засоления озера пересыхают, однако в процессе эволюции гидросферы в некоторых местах образуются новые озера.

Уровень воды даже в "здоровых" озерах может понижаться в течение года в результате стока воды через вытекающие из них реки и ручьи, из-за просачивания воды в грунт и ее испарения. Восстановление их уровня обычно происходит за счет осадков и притока пресной воды впадающих в них рек и ручьев, а также из родников. Однако в результате испарения накапливаются соли, поступающие с речным стоком. Поэтому спустя тысячелетия некоторые озера могут стать очень солеными и непригодными для обитания многих живых организмов. См. также озеро.

3. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВОДЫ

Потребление воды. Водопотребление повсюду быстро растет, однако не только из-за увеличения численности населения, а также вследствие урбанизации, индустриализации и в особенности развития сельскохозяйственного производства, в частности орошаемого земледелия. К 2000 суточное мировое потребление воды достигло 26 540 млрд. л, или 4280 л на человека. 72% от этого объема расходуется на орошение, а 17,5% - на промышленные нужды. Около 69% ирригационных вод утрачено безвозвратно.

Качество воды, используемой для разных целей, определяется в зависимости от количественного и качественного содержания растворенных солей (т.е. ее минерализации), а также органических веществ; твердых взвесей (ил, песок); токсичных химических веществ и патогенных микроорганизмов (бактерий и вирусов); запаха и температуры. Обычно пресная вода содержит растворенных солей менее 1 г/л, солоноватая 1-10, а соленая 10-100 г/л. Вода с большим содержанием солей называется рассолом, или рапoй.

Очевидно, что для навигационных целей качество воды (соленость морской воды достигает 35 г/л, или 35‰) не имеет существенного значения. Многие виды рыб приспособились к жизни в соленой воде, однако другие обитают только в пресной. Некоторые мигрирующие рыбы (например, лосось) начинают и заканчивают жизненный цикл во внутренних пресных водах, но бoльшую часть жизни проводят в океане. Одним рыбам (например, форели) жизненно необходима холодная вода, а другие (подобно окуню) предпочитают теплую.

В большинстве отраслей промышленности используется пресная вода. Но если такая вода является дефицитом, то некоторые технологические процессы, например охлаждение, могут протекать на основе использования низкокачественной воды. Вода для бытовых целей должна быть высокого качества, но не абсолютно чистой, так как такую воду слишком дорого производить, а отсутствие растворенных солей делает ее безвкусной. В некоторых районах земного шара люди еще вынуждены для повседневных потребностей использовать низкокачественную мутную воду открытых водоемов и родников. Однако в промышленных странах сейчас все города снабжаются водопроводной, отфильтрованной и прошедшей специальную обработку водой, которая соответствует хотя бы минимальным потребительским стандартам, особенно в отношении пригодности для питья.

Важной характеристикой качества воды являются ее жесткость или мягкость. Вода считается жесткой, если содержание карбонатов кальция и магния превышает 12 мг/л. Эти соли связываются некоторыми компонентами моющих средств, и таким образом ухудшается пенообразование, на выстиранных изделиях остается нерастворимый осадок, придающий им матовый серый оттенок. Карбонат кальция жесткой воды образует в чайниках и котлах накипь (известковую корку), которая сокращает срок их службы и теплопроводность стенок. Воду смягчают добавлением солей натрия, замещающих кальций и магний. В мягкой воде (содержащей менее 6 мг/л карбонатов кальция и магния) мыло хорошо пенится, она больше подходит для стирки и мытья. Такая вода не должна использоваться для орошения, так как избыток натрия вреден для многих растений и может нарушать рыхлую комковатую структуру почв.

Хотя повышенные концентрации микроэлементов вредны и даже ядовиты, их небольшое содержание может благотворно влиять на здоровье людей. Примером служит фторирование воды с целью профилактики кариеса.

Повторное использование воды. Использованная вода не всегда утрачивается полностью, часть ее или даже вся она может быть возвращена в круговорот и вновь использована. Например, вода из ванны или душа по канализационным трубам попадает в городские очистные сооружения, где проходит обработку и затем используется повторно. Как правило, более 70% городских стоков возвращается в реки или подземные водоносные горизонты. К сожалению, во многих больших приморских городах муниципальные и промышленные сточные воды просто сбрасываются в океан и не утилизируются. Хотя такой способ избавляет от затрат на их очистку и возвращение в оборот, происходит потеря потенциально пригодной к употреблению воды и загрязнение морских акваторий.

При орошаемом земледелии посевы потребляют огромное количество воды, высасывая ее корнями и безвозвратно теряя до 99% в процессе транспирации. Однако при орошении фермеры обычно расходуют больше воды, чем необходимо для посевов. Часть ее стекает к периферии поля и возвращается в оросительную сеть, а остальная - просачивается в почву, пополняя запасы грунтовых вод, которые можно откачивать с помощью насосов.

Использование воды в сельском хозяйстве. Земледелие - самый крупный потребитель воды. В Египте, где почти не бывает дождей, все земледелие основано на орошении, тогда как в Великобритании практически все сельскохозяйственные культуры обеспечиваются влагой за счет атмосферных осадков. В США орошается 10% сельскохозяйственных земель, в основном на западе страны. Значительная часть сельскохозяйственных угодий искусственно орошается в следующих азиатских странах: Китае (68%), Японии (57%), Ираке (53%), Иране (45%), Саудовской Аравии (43%), Пакистане (42%), Израиле (38%), Индии и Индонезии (по 27%), Таиланде (25%), Сирии (16%), Филиппинах (12%) и Вьетнаме (10%). В Африке, кроме Египта, существенна доля орошаемых земель в Судане (22%), Свазиленде (20%) и Сомали (17%), а в Америке - в Гайане (62%), Чили (46%), Мексике (22%) и на Кубе (18%). В Европе орошаемое земледелие развито в Греции (15%), Франции (12%), Испании и Италии (по 11%). В Австралии орошается ок. 9% сельскохозяйственных угодий и ок. 5% - в бывшем СССР.

Потребление воды разными культурами. Для получения высоких урожаев требуется много воды: так, например, на выращивание 1 кг вишни расходуется 3000 л воды, риса - 2400 л, кукурузы в початках и пшеницы - 1000 л, зеленых бобов - 800 л, винограда - 590 л, шпината - 510 л, картофеля - 200 л и лука - 130 л. Примерное количество воды, затрачиваемое только на выращивание (а не на переработку или приготовление) пищевых культур, потребляемых ежедневно одним человеком в западных странах, - на завтрак ок. 760 л, на обед (ланч) 5300 л и на ужин - 10 600 л, что в целом за сутки составляет 16 600 л.

В сельском хозяйстве вода идет не только на полив посевов, но также на пополнение запасов подземных вод (чтобы предупредить слишком быстрое опускание уровня грунтовых вод); на вымывание (или выщелачивание) солей, накопившихся в почве, на глубину ниже корнеобитаемой зоны возделываемых культур; для опрыскивания против вредителей и болезней; защиты от заморозков; внесения удобрений; снижения температуры воздуха и почвы летом; для ухода за домашним скотом; эвакуации обработанных сточных вод, используемых для орошения (преимущественно зерновых культур); и переработки собранного урожая.

Сточные воды. Вода необходима для эвакуации бытовых, промышленных и сельскохозяйственных стоков. Хотя около половины населения, например США, обслуживается канализационными системами, стоки из многих домов все еще просто сбрасываются в отстойники. Но все бoльшая осведомленность о том, к каким последствиями приводит загрязнение воды через подобные устаревшие канализационные системы, стимулировала прокладку новых систем и сооружение водоочистных станций для предотвращения инфильтрации загрязняющих веществ в подземные воды и поступления неочищенных стоков в реки, озера и моря (См. также ЗАГРЯЗНЕНИЕ ВОДЫ).

ДЕФИЦИТ ВОДЫ

Когда водопотребление превышает поступление воды, разница обычно компенсируется ее запасами в водохранилищах, так как обычно и спрос и поступление воды варьируют по сезонам. Отрицательный водный баланс формируется в условиях, когда испарение превышает количество осадков, поэтому умеренное снижение запасов воды - обычное явление. Острый дефицит наступает, когда приток воды оказывается недостаточным из-за продолжительной засухи или когда вследствие неудовлетворительного планирования потребление воды постоянно растет более быстрыми темпами, чем это ожидалось. На протяжении всей своей истории человечество время от времени страдало из-за нехватки воды. Чтобы не испытывать недостатка в воде даже во время засух, во многих городах и районах стараются ее запасать в водохранилищах и подземных коллекторах, но временами необходимы дополнительные водосберегающие мероприятия, а также ее нормированный расход.

ПРЕОДОЛЕНИЕ ДЕФИЦИТА ВОДЫ

Перераспределение стока направлено на обеспечение водой тех районов, где ее не хватает, а охрана водных ресурсов - на уменьшение невосполнимых потерь воды и сокращение потребности в ней на местах.

Перераспределение стока. Хотя традиционно многие крупные поселения возникали близ постоянных водных источников, в настоящее время некоторые населенные пункты создают также в районах, которые получают воду издалека. Даже в тех случаях, когда источник дополнительного водоснабжения находится в пределах того же штата или страны, что и пункт назначения, возникают технические, экологические или экономические проблемы, но если импортируемая вода пересекает государственные границы, то число потенциальных осложнений возрастает. Например, распыление йодистого серебра в облаках приводит к увеличению количества осадков в одном районе, но это может повлиять на уменьшение осадков в других районах.

Один из масштабных проектов переброски стока, предложенный в Северной Америке, предусматривает отведение 20% избыточной воды из северо-западных районов в аридные области. При этом ежегодно перераспределялось бы до 310 млн.м3воды, сквозная система водохранилищ, каналов и рек способствовала бы развитию навигации во внутренних районах, Великие озера ежегодно получали бы дополнительно 50 млн.м3 воды (что компенсировало бы понижение их уровня), и вырабатывалось бы до 150 млн. кВт электроэнергии. Другой грандиозный план переброски стока связан с сооружением Большого Канадского канала, по которому вода направлялась бы из северо-восточных районов Канады в западные, а оттуда - в США и Мексику.

Большое внимание привлекает проект буксировки айсбергов из Антарктики в аридные районы, например на Аравийский п-ов, что позволит ежегодно обеспечивать пресной водой от 4 до 6 млрд. человек или орошать ок. 80 млн. га земель.

Одним из альтернативных методов водоснабжения является опреснение соленой воды, главным образом океанической, и транспортировка ее к местам потребления, что технически осуществимо благодаря применению электродиализа, вымораживания и различных систем дистилляции. Чем крупнее опреснительная установка, тем дешевле обходится получение пресной воды. Но с увеличением стоимости электроэнергии опреснение становится экономически невыгодным. Его используют лишь в тех случаях, когда энергия легкодоступна и другие способы получения пресной воды нецелесообразны. Коммерческие опреснительные установки действуют на островах Кюрасао и Аруба (в Карибском море), в Кувейте, Бахрейне, Израиле, Гибралтаре, на о.Гернси и в США. В других странах были построены многочисленные демонстрационные установки меньшей мощности.

Охрана водных ресурсов. Существует два широко распространенных способа сбережения водных ресурсов: сохранение существующих запасов пригодной к употреблению воды и приумножение ее запасов путем сооружения боле совершенных коллекторов. Накопление воды в водохранилищах предотвращает ее сток в океан, откуда она может быть вновь извлечена лишь в процессе круговорота воды в природе или путем опреснения. Водохранилища тоже облегчают водопользование в нужное время. Вода может храниться в подземных полостях. При этом не происходит потерь влаги на испарение, и сберегаются ценные земли. Сохранению существующих запасов воды способствуют каналы, не допускающие просачивание воды в грунт и обеспечивающие ее эффективную транспортировку; применение более эффективных методов орошения с использованием сточных вод; сокращение объема воды, стекающей с полей или фильтрующейся ниже корнеобитаемой зоны посевных культур; бережное использование воды на бытовые нужды.

Однако каждый из этих способов сбережения водных ресурсов оказывает то или иное воздействие на окружающую среду. Например, плотины портят естественную красоту незарегулированных рек и препятствуют аккумуляции на поймах плодородных илистых наносов. Предотвращение потерь воды в результате фильтрации в каналах может нарушить водообеспечение болот и тем самым неблагоприятно отразиться на состоянии их экосистем. Это может также препятствовать пополнению запасов грунтовых вод, влияя таким образом на водоснабжение других потребителей. А для уменьшения объема испарения и транспирации сельскохозяйственными культурами необходимо сокращать посевные площади. Последняя мера оправдана в районах, страдающих от нехватки воды, где при этом проводится режим экономии за счет сокращения расходов на ирригацию из-за высокой стоимости энергии, необходимой для подачи воды.

ВОДОСНАБЖЕНИЕ

Сами источники водоснабжения и водохранилища имеют значение лишь когда вода доставляется в достаточном объеме к потребителям - в жилые дома и учреждения, к пожарным гидрантам (устройствам для отбора воды на пожарные нужды) и другим объектам коммунального хозяйства, на промышленные и сельскохозяйственные объекты.

Современные системы фильтрации, очистки и распределения воды не только удобны, но и способствуют предотвращению распространения таких передающихся через воду болезней, как тиф и дизентерия. Типичная городская система водоснабжения включает забор воды из реки, пропуск ее через грубый фильтр для устранения основной массы загрязнителей, а затем через измерительный пост, где фиксируются ее объем и скорость течения. После этого вода поступает в водонапорную башню, откуда пропускается через аэрационную установку (где происходит окисление примесей), микрофильтр для удаления ила и глины и песчаный фильтр для удаления оставшихся примесей. Хлор, убивающий микроорганизмы, добавляется в воду в магистральной трубе перед поступлением в смеситель. В конечном итоге перед отправкой в распределительную сеть потребителям очищенная вода закачивается в накопительный резервуар.

Трубы на центральной водопроводной станции обычно чугунные, большого диаметра, который постепенно, по мере разветвления распределительной сети, уменьшается. От уличных водопроводных магистралей с трубами диаметром 10-25 см вода подается к отдельным домам по оцинкованным медным или пластиковым трубам.

Орошение в сельском хозяйстве. Поскольку орошение требует огромных расходов воды, системы водоснабжения сельскохозяйственных районов должны иметь большую пропускную способность, особенно в аридных условиях. Вода из водохранилища направляется в облицованный, а чаще необлицованный магистральный канал и затем по ответвлениям в распределительные ирригационные каналы разного порядка на фермы. На поля вода выпускается разливом или по оросительным бороздам. Поскольку многие водохранилища расположены выше орошаемых земель, вода в основном течет под действием силы тяжести. Фермеры, которые сами запасают воду, откачивают ее из скважин прямо в арыки или накопительные водоемы.

Для полива дождеванием или капельного орошения, практикующегося в последнее время, используют насосы небольшой мощности. Кроме того, существуют гигантские центрально-стержневые ирригационные установки, откачивающие воду из скважин прямо посреди поля непосредственно в трубу, снабженную дождевальными приспособлениями и вращающуюся по кругу. Орошаемые таким образом поля с воздуха кажутся гигантскими зелеными кругами, некоторые из них достигают в диаметре 1,5 км. Такие установки обычны для Среднего Запада США. Они также используются в ливийской части Сахары, где из глубокого нубийского водоносного пласта откачивается более 3785 л воды в минуту.

Контрольные вопросы:

1. Что такое водные ресурсы.

2. Каково потребление воды в мире.

3. Значение воды при производстве с/х продукции.

Лекция №11

Тема: Проблемы деградации земель

Цель лекции: ознакомить с видами землепользования и экологическими проблемами.

План лекции:

1. Земельные ресурсы мира

2. Состояние земельных ресурсов Казахстана

Основные понятия по теме: земельный фонд, пашня, пастбища, почвенно-географические зоны.

1. Земельные ресурсы мира

Из общей площади поверхности Земли (510 млн. км2) на долю суши приходится 149 млн. км2, а остальное занимают моря и океаны. Общая площадь мирового земельного фонда (площадь суши за вычетом ледяных пустынь Арктики и Антарктики) составляет 134 млн. км2.

В структуре мирового земельного фонда 11% приходится на обрабатываемые земли (пашни, сады, виноградники); 23% - на луга и пастбища; 30% - на леса; 3% - на антропогенные ландшафты (населенные пункты, промышленные зоны, транспортные линии); 33% - на малопродуктивные земли (пустыни, болота и экстремальные территории с низкой температурой или в горах).

Сельскохозяйственные угодья, т.е. земли, используемые для производства продуктов питания, включают пашни, многолетние насаждения (сады, плантации), естественные луга и пастбища. В настоящее время общая площадь сельскохозяйственных угодий составляет 48,1 млн. км2 (4810 млн. га), в том числе пашни (обрабатываемые земли) - 1340 млн. га, луга и пастбища - 3365 млн. га. Наибольшими размерами пашни выделяются США (185 млн. га), Индия (160), Россия (134), Китай (95), Канада (46), Казахстан (36), Украина (34 млн. га).

Доля обрабатываемых земель в общем земельном фонде составляет (%): в Индии - 57.1; Польше - 46,9: Италии - 40,3; Франции - 35,3; Германии - 33,9; США - 19,6; Китае - 10,3; России - 7,8; Австралии - 6; Канаде - 4,9; Египте - 2,9. В указанных странах, как и в мире в целом, резервов для сельскохозяйственного освоения осталось очень мало: леса и малопродуктивные земли. К тому же во многих странах сельскохозяйственные угодья быстро сокращаются, так как отводятся под строительство и т.д. Надо сказать, что в последние десятилетия происходило и расширение сельскохозяйственных угодий за счет освоения целинных земель в России, Казахстане, Китае, Канаде.

В мире отмечается ухудшение, или деградация земель. Так. вследствие эрозии из сельскохозяйственного оборота ежегодно выводится 6 -7 млн. га, а заболачивание и засоление выводят из землепользования еще 1,5 млн. га. Серьезную угрозу земельному фонду в 60 странах мира представляет опустынивание прежде возделываемых земель, которое охватило территорию в 9 млн. км3, что примерно равно площади таких стран, как США или КНР. Деградация сельскохозяйственных земель вызывается и превращением их в антропогенные ландшафты. Так, в бывшем СССР за 1965 - 1990 гг. было освоено 25 млн. га пашни, и одновременно 22 млн. га уже освоенной пашни выбыло из сельскохозяйственного оборота, в том числе 12 млн. га ушло под промышленное и транспортное строительство.

2. Состояние земельных ресурсов Казахстана

Рассматривается экологическое состояние почвенного покрова Казахстана. Особое внимание уделяется нарушенным и загрязненным землям, источникам их загрязнения, необходимости рекультивационных работ для восстановления их плодородия.

Современные экологические проблемы, возникшие в результате антропогенной перегрузки и нерационального использования природных ресурсов, несомненно отразились на состоянии почвенного покрова территории Казахстана. Дестабилизация экологической обстановки привела к деградации почвенного покрова во всех природных зонах республики. Как известно, Казахстан по своей площади входит в десятку государств мира, имеющих наибольшую площадь, а по численности населения находится на 80-м месте. Составляя 0,3 населения мира, Казахстан занимает 2 % земного шара. (Абуталипов Ж.А., 1992 г.).

Общая площадь республики 272 млн га. Сельскохозяйственные угодья составляют 222 млн га, в том числе около 27 млн га пашни. Большая часть Казахстана равнины (около 90 % площади), а лишь с юга и юго-востока они обрамляются горами Тянь-Шаня, Тарбагатая и Алтая.

На равнинах с севера на юг выделяются следующие почвенно-географические зоны и подзоны:

1.

1. Степная зона черноземов с подзонами серых лесных и лугово-черноземных почв, обыкновенных и южных черноземов.

2. Сухостепная и пустынно-степная зона каштановых почв с подзонами темнокаштановых почв, каштановых почв и светлокаштановых почв.

3. Пустынная зона бурых, серобурых и такыровидных почв с массивами песков.

Значительно сложнее структура вертикальной зональности (высотной поясности) горных областей Казахстана. Она различнаа в разных горных системах. В целом можно выделить две крупные группы высотных зон - поясов горных областей Казахстана.

1.

1. Подгорно-предгорная пустынно-степная зона Тянь-Шаня и Алтая с сероземами и светлокаштановыми почвами.

2. Предгорная и межгорная степная, горно-лесостепная, лугово-лесная и луговая зоны )пояса) с преобладанием темнокаштановых почв, горных черноземов, горно-лесных темноцветных и горно-луговых почв. (Успанов У.У., 1978 г.)

В целом, территория Казахстана отличается большой засушливостью, основная ее часть - в секторе глобально целостной системы биосферы Земли, составляют сухие степи, полупустыни и пустыни с остро континентальными подгорно-климатическими условиями. Так среднегодовые осадки для всей территории Казахстана составляют всего 207 мм в год, почти вдвое меньше, чем в России (389 мм). (Медведев С.А., 1994 г.)

Это один из самых неблагополучных в экологическом отношении регионов Евраазиатского материка. Аридный климат, равнинный характер поверхности предопределяет развитие сильного ветрового режима и связанные с ним дефляционные процессы. В таких условиях формируются с малой мощностью, в основном засоленные с низкой биологической продуктивностью. Подобные ландшафты являются хрупкими, легкоранимыми и подвергаются быстрому разрушению при неразумном воздействии на них человеческой цивилизации и обладают возможностями самовосстановления.

Именно на таких ландшафтных фонах многолетнее индустриальное, сельскохозяйственное и военно-промышленное освоение территории Казахстана без учета их порога экологической устойчивости. Республика была кладовой многих полезных ископаемых: из 105 элементов таблицы Менделеева выявлено в недрах 99, разведаны запасы 70, вовлечено в производство более 60 элементов. При этом на долю Казахстана в бывшем Союзе проходилось запасов хромитов - 98,2, баритов - 81,7, фосфоритов - 64,7, вольфрама - 53, свинца - 38,5, молибдена - 29,3, меди - 38,4, бокситов - 22,1, асбеста - 20,1 %. (Абуталипов Ж.А., 1992 г.)

Значительный удельный вес имели нефть и газ, марганец и уголь, железные и урановые руды. Казахстан при добыче полезных ископаемых был в основном сырьевой базой. В местах добычи, первичной обработки и обогащения оставались все отходы, а обогащенные чистые "сливки" готовые для промышленности, отправлялись в центры. Многозольные экибастузские угли сжигались и сжигаются на месте, загрязняя окружающую среду, а чистая энергия передавалась к местам потребления, в основном за пределы республики. Технический прогресс и интенсивное извлечение из недр природно-сырьевых ресурсов явились одной из причин деградации почвенного покрова республики. Общество, развивая разные отрасли народного хозяйства, выполняет функцию великой геологической и геохимической силы. НГа каждого жителя ежегодно добывается около 25-30 тонн различных минералов и породы. Но беда в том, что лишь 1,5-2,0 % добытого превращается в полезную продукцию, а остальное превращается в природу часто в таком виде, что естественные силы не в состоянии включить эти отбросы в свой круговорот. Сюда относятся заброшенные карьеры, отвалы вскрышных пород, хвостохранилища обогатительных фабрик, золоотвалы, шлаки от ТЭЦ, свалки бытовых и производственных отходов и др. Площадь таких нарушенных земель в Казахстане по неполным данным, не считая санитарные зоны составляет 200 тыс га. Следует отметить, что в республике еще много земель, которые пока не отнесены к нарушенным. К таковым относятся площади, отведенные в свое время под военно-промышленные комплекс, большая часть которых была нарушена и загрязнена, в том числе радиацией в ходе ядерных испытательных взрывов или замусорена небезопасным "космическим мусором" в местах падения остаточных частей ракет с компонентами радиактивного топлива. Предприятими военно-промышленного комплекса был нанесен большой ущерб почвенному покрову республики. Площади таких территорий до недавнего времени секретными, только сейчас стало известно, что земли отведенные для целей "обороны" составляли более 20 млн га. Приходится констатировать, что Казахстан - единственное на планете место, где ядерно-стратегические программы осуществлялись в полном объеме: начиная с добычи сырья, изготовления и испытания ядерных боеголовок до испытания и уничтожения ракетно-космических комплексов. Это продолжалось в течение 40 лет. Кроме того во многих регионах республики, не говоря о Семипалатинском полигоне, проводились ядерные испытания, последствия которых представляли особую опасность для почвенного покрова. Было проведено более 20 ядерных и более 500 воздушных и подземных взрывов.

Не меньшую опасность представляли последствия радиоактивного загрязнения почв. Сильному загрязнению были подвержены почвы и все другие компоненты экосистемы в районах месторождений урана. Во впадине Карагие, близ г. Актау длительное время добывали урановую руду и обогащали ее в пригородном секретном предприятии - Прикаспийском горно-металлургическом комбинате. Радиоактивные отходы обогащения накапливались в озере Кошкарата, расположенного недалеко от города и Каспийского моря. Накопленные отходы представляют собой угрозу для окружающей среды. Большая вероятность того, что подземным стоком они могут попасть в море, уровень которого непрерывно повышается, затапливая прибрежные территории.

Неблагоприятные экологические условия сложились и на сельскохозяйственных угодьях республики. Как было сказано выше, почвенно-климатические условия Казахстана отличаются большой засушливостью. Поэтому площади бесполивного земледелия на такой територии должны быть небольшими. Так оно и было до 1954 года. В 1953 году площадь пашни в Казахстане вместе с поливной пашней составляли 11 млн га. После утверждения программы освоения целинных земель, за короткий срок 1954-1960 гг. в северных областях республики было освоено 25 млн га, которое происходило без достаточно научного обоснования.

В результате погони за выполнением "плана" наряду с пригодными землями были распаханы заведомо непригодные для земделелия (легкие супесчаные, солонцовые, светло-каштановые и каштановые почвы полупустынь и сухих степей) почвы. Площадь пашни достигла 36 млн га.

С началом освоения целины в северных областях республики разразились страшные пыльные бури, началась ветровая эрозия почв, спровоцированные отвальными обработками. Были разрушены и списаны миллионы гектаров земель. Интенсивное развитие эрозионных процессов в этих областях усугубило проблему деградации почв. Хотя благодаря разработкам Института зернового хозяйства во главе с акадмиком А.И. Бараевым ветровая эрозия почв была практически приостановлена, говорить о том, что на целинных землях стали получать высокие урожаи зерновых нельзя. Урожаи с каждым годом снижаются, потому что здесь не существует никакого научно-обоснованного севооборота, не вносятся необходимые дозы минеральных, особенно органических удобрений. Это явилось причиной возникновения еще одной экологической проблемы - дегумификации почв. В результате чего резко снизилось естественное плодородие почв. Содержание гумуса, основного показателя плодородия почвы, снизилось на 20-30 %. (Бильдебаева Р.М., 1997 г.)

Следует отметить, что в погоне за площадью вслед за целиной в 1961-1986 гг. было распахано более 11 млн га малопродуктивных пастбищ, в основном, под предлогом коренного улучшения - солонцовые комплексы. До распашки солонцовые комплексы служили пастбищным угодьем, а после распашки на них ничего не росло. Таким образом ухудшилось почвенно-экологическое состояние этих земель.

Говоря о целине Казахстана, многие подразумевают миллиарды пудов хлеба, т.е. большие урожаи с гектара пашни. На самом деле здесь из-а дефицита влаги получают низкие урожаи. Поэтому это зона называется зоной рискованного земледелия. Даже в самые влажные урожайные годы, когда целина давала миллиард пудов зерна, средняя урожайность не превышала 12-14 ц/га. А в засушливые годы получали всего 5-6 или 7-8 ц/га пашни. Таким образом урожай на целине получался в основном за счет большой площади, а не за счет урожайности и продуктивности земель. Казахстан по урожайности занимает последнее место в бывшем Союзе и 142-ое место в мире. Спрашивается оправдано ли такое земледелие, особенно сейчас когда резко ухудшилось экологическое состояние используемых в земледелии почв? Безусловно нет. В современных условиях перехода на мировую рыночную экономику, по расчетам ученых, чтобы продать зерно по мировым ценам урожайность его с гектара должна быть не менее 10 ц/га, а ниже его производство не оправдано. Поэтому в Казахстане начался процесс сокращения площади зерновых, дающих урожаи ниже 10 ц/га. Планируется сосредоточить из в основном в черноземной зоне.

Критическая экологическая ситуация сложилась в Приаралье - зона интенсивного опустынивания, засоления и дефляции. В настоящее время уровень Аральского моря понизился на 18 м, соленость воды достигла 70 г/л, обсохла и стала опустыниваться акватория моря на территории 3,5 млн га, в том числе 2 млн га в казахстанской части. (Асанбаев И.К., 1996 г.)

Говоря об экологическом состоянии почвенного покрова республики нельзя забывать о сильно деградированных пастбищных от перевыпаса скота и нерационального их использования, которые следует также отнести к нарушенным землям. Площадь деградированных пастбищ достигает 60 млн га, в т.ч. вышедших из сельскохозяйственного оборота 15 млн га. Много земель нарушенных и загрязненных от техногенно-транспортной нагрузки, а также нефтебитумными отходами и нефтегазовыми выбросами в районах Прикаспия, площадь такой территории составляет 5 млн га.

Таким образом общая площадь нарушенных и загрязенных земель в республике - 100 млн га.

Исходя из вышеизложенного, можно сказать, что почвенно-экологическое состояние территории Казахстана крайне напряженное. Дестабилизация экологической обстановки достигла такой степени, что процессы самовосстановления почв стали невозможными. Требуется разработка комплексной программы рационального использования, охраны и восстановления плодородия нарушенных почв, мероприятий по предотвращению дальнейшей деградации почв, восстановлению плодородия эрозированных, дегумифицированных и техногенно-нарушенных почв, улучшению пастбищ и др. вопросы с решением проблем экологии и охраны почв.

Контрольные вопросы:

1. Значение земли как ресурса.

2. Какова структура земельного фонда мира.

3. Какова динамика изменения площадей используемых в с/х производстве.

4. Экологические проблемы использования земли в с/х в РК.

Лекция №12

Тема: Воздействие человека на животный и растительный мир

План лекции:

1. Экологическое состояние животного мира.

2. Экологическое состояние растительного мира.

1. Экологическое состояние животного мира.

Животный мир - обязательный компонент биосферы, от его состава зависит продуктивность экосистем и их пригодность для существования человека. Дикая фауна - один из наиболее точных индикаторов состояния экосистем. Животные находятся в сложной взаимосвязи с почвой и растениями: занимают определенные места в трофических цепях, обогащают удобрениями и рыхлят почву. Животные определенных видов выполняют роль опылителей растений, распространителей их семян. Поедая биомассу растений и разлагая отмершее органическое вещество, животные содействуют ускорению биологического круговорота и повышению биопродуктивности экосистем. Микроорганизмы играют преобладающую роль в биохимическом разрушении загрязняющих веществ при процессах самоочищения, удерживают и концентрируют в почве азотистые соединения и другие необходимые растениям вещества. Любой вид занимает определенную экологическую нишу и в случае исчезновения заменяется другим, обычно более вредным с точки зрения человека, любой вид является составной частью генетического фонда планеты. Хотя на животных приходится всего 2% биомассы, число их видов в 3 раза превышает число видов растений [77], что определяет роль животного мира в обеспечении биоразнообразия. В свою очередь, биоразнообразие обеспечивает поддержание равновесия между отдельными видами, с вытекающей из этого невозможностью резкого увеличения численности отдельных популяций, способных нанести ущерб другим популяциям и экосистеме в целом. При этом в природе не существует абсолютно вредных или абсолютно полезных видов, все зависит от численности и условий существования. Так, в Индии одичавшие ?священные коровы? численностью 250 млн. уже нанесли значительный ущерб растительности предгорий Гималаев и продолжают уничтожать растительность, особенно молодые деревья. Общеизвестен факт уничтожения растительности Средиземноморья козами, что привело к катастрофической эрозии. Использование ресурсов животного мира человеком началось еще на этапе его становления и на протяжении многих тысячелетий принципиально не отличалось от хищничества, как одного из типов отношений между популяциями разных биологических видов. Интеллектуальное развитие, совершенствование средств и форм организации охоты сделали человека настолько эффективным хищником, что многие виды крупных животных были полностью истреблены или стали редкими уже на этапе первобытного охотничьего хозяйства, и это стало одной из причин неолитической революции - перехода к производящему хозяйству. Тем не менее, многие малочисленные народы, проживающие на малонаселенных территориях, в той или иной степени сохраняли в течение длительного времени или даже сохраняют до сих пор традиционное природопользование, основанное на охотничьем или рыболовном промысле. Современное использование ресурсов животного мира включает промысловые виды природопользования (охота с отстрелом или отловом животных, рыболовство) и сельскохозяйственное производство (звероводческие фермы, разведение рыбы, пчеловодство). Различия между ними в том, что первые рассчитаны на получение продукции со второстепенным значением мер по восстановлению популяций, а вторые ориентируются на выращивание животных с использованием методов селекции и выведения новых пород. Особое место занимает спортивная охота, ведущаяся на отдельных млекопитающих и птиц в целях разнообразия активного отдыха. Организация охотничьих хозяйств включает решение таких задач, как выбор территории, классификация и бонитировка охотничьих угодий, выявление запасов животных и колебаний их численности. Разрабатывается система разумной эксплуатации промысловых ресурсов: нормирование добычи, заготовка кормов и посевы кормовых культур, борьба с браконьерами, мелиорация угодий, устройство солонцов и водопоев, борьба с вредными хищниками. Основной принцип проводимых мероприятий - обеспечение оптимальной численности животных, исходя из природных условий. При соблюдении необходимых условий опасность падежа животных и истощения кормовой базы минимальная. Использование полезных насекомых также представляет собой одну из сторон обеспечения человека ресурсами животного мира. Ряд насекомых приносит прямую пользу, давая человеку ценные продукты питания и сырье для отраслей народного хозяйства. Пчеловодство представляет собой древнюю и достаточно сложную отрасль хозяйства, а его предшественник - бортничество (сбор меда диких пчел) относится к древнему промыслу наших предков. Разведение пчел требует разнообразных знаний законов жизни пчелиной семьи, методов подкормки пчел зимой, выбора территорий сбора меда. Помимо меда в промышленности и технике используется пчелиный воск. Использование натурального шелка из коконов гусениц бабочки-шелкопряда является основой шелководства, одной из древнейших отраслей хозяйства. Шелководство издавна было развито в странах Юго-Восточной Азии (Китай, Япония, Индия) и лишь в XX веке стало заменяться производством искусственных шелковых тканей. Один из видов натуральных лаков - шеллак - выделяется личинками лакового червеца. Лак обрабатывается на специальных фабриках и используется в мебельной, кожевенной, электротехнической и парфюмерной промышленности. Шеллак импортируется в Россию из Индии, однако в нашей стране ведутся исследования по акклиматизации лакового червеца [59]. Косвенная польза насекомых для человека связана с опылением ими растений (пчелы, шмели, осы), уничтожением насекомыми-хищниками (божья коровка, жужелица) паразитов, очищением лесов и рыхлением почвы (муравьи). Основная причина сокращения видов и численности полезных насекомых - неумеренная химизация сельского хозяйства, обработка ядохимикатами не только полей, но и лесов, садов и болот. Особенно опасно распыление химических веществ в периоды цветения растений- медоносов. Биологические ресурсы Мирового океана. Мировой океан ежегодно производит более 500 млрд. т органического вещества. Человек использует менее 2% этого количества, добывая, в основном за счет лова рыбы, 20% животного белка, потребляемого в мире. В широком смысле биологическими ресурсами являются все животные и растения, обитающие в океанах и морях. Однако человеком используется лишь незначительная часть органического мира океана, поэтому биологические ресурсы Мирового океана - это лишь те группы и виды его обитателей, добыча которых в настоящее время экономически оправдана. К ним относятся рыба, морские беспозвоночные (двустворчатые и головоногие моллюски, ракообразные и иглокожие), морские млекопитающие (китообразные и ластоногие), а также водоросли. Масштабы добычи различных видов живых богатств океана далеко не одинаковы: добыча рыбы составляет 80% общей добычи, добыча беспозвоночных - примерно 10-12%, добыча морских млекопитающих и водорослей - 8-10%. Наиболее высокопродуктивные зоны океана, сопоставимые по уровню продуктивности с лесами и пахотными землями материков, занимают всего 17% площади Мирового океана. Малопродуктивные океанские пространства, продуктивность которых находится на уровне пустынь суши, охватывают 63% площади океана. С этим во многом связана география мирового промысла водных животных и растений, т.е. степень использования сырьевой базы Мирового океана в его разных районах. Морской промысел трудно поддается регламентации и контролю, и вследствие этого во многих случаях велся неумеренно и приводил к подрыву собственной сырьевой базы. Увеличение вылова ряда видов рыб и особенно молоди привело в некоторых районах к резкому снижению их численности, а образовавшуюся экологическую нишу сразу же заняли конкурирующие виды, менее ценные для промысла. В других случаях снижение численности видов, являющихся объектом питания для более крупных хищников, вызвало также сокращение популяции последних. Большие потери в морских экосистемах происходят также в результате непреднамеренной добычи непромысловых объектов. Например, на 1 т доставляемых с промысла креветок обычно приходится до 3 т мертвой рыбы, которую выбрасывают в море. Ловля лосося жаберными сетями ежегодно губит сотни тысяч морских птиц и более 20 тыс. дельфинов. Число китов, погибающих при случайной добыче, превышает размеры их промысла. Хотя общее число непреднамеренно уничтожаемых таким путем видов морских организмов невелико, проблема является серьезной и требует внимания [30]. Рыболовство. Наиболее развит рыбный промысел в северной (к северу от 30° с. ш.) зоне океана. Она занимает ведущее место в мировом рыболовстве, хотя ее доля к 1979 г. уменьшилась на 25% по сравнению с таковой в довоенные времена. В то же время увеличилась доля южной зоны и понизилась доля тропической. До 1958 г. большая часть вылова приходилась на Атлантический океан, а после этого года и до настоящего времени - на Тихий. Максимальной величины мировой улов достигал в конце 1980- начале 1990-х гг. (табл. 5). Таблица 5 Мировой улов (без водорослей) по годам Год млн т Год млн т Год млн т 1987 94,3 1991 96,9 1995 93,0 1988 99,1 1992 98,7 1996 94,6 1989 100,3 1993 101,4 1997 94,5 Колебания уловов в основном отражают сложную динамику численности отдельных промысловых видов. Исчерпание запасов и падение численности одних видов сочетается с освоением промысла все новых видов. В течение многих лет вплоть до 60-х годов в мире резко преобладал вылов тресковых и сельдевых, с 1962 по 1971 г. - анчоусовых, основную часть которых составлял перуанский анчоус. На протяжении нескольких лет его годовые уловы составляли 10-11 млн. т, а в 1970 г. было выловлено 13 млн. т этой рыбы. Столь интенсивный промысел истощил запасы перуанского анчоуса, в результате чего в 1973 г. его улов уменьшился до 2 млн. т. В последующие годы вылов несколько увеличился, но уже не достигал прежнего высокого уровня. В 1970-80-е годы интенсивно развивался промысел скумбриевых и ставридовых. Их годовые уловы превосходили вылов лососевых, камбаловых и тунцовых вместе взятых. Кроме того, стала стремительно расти добыча мойвы, годовые уловы которой превышали 2 млн. т. Вместе с тем постоянно уменьшались уловы атлантической и тихоокеанской сельди, но увеличивалась добыча сардинеллы, иваси, менхедена. Снижение вылова атлантической трески сопровождалось повышением добычи минтая, путассу, эсмарки. Современный (1994-1996) уровень морского рыболовства базируется на вылове традиционных рыбных семейств. Основные из них: сельдевые - 22,3 млн. т в год (преимущественно сельдь атлантическая - 2,3 млн. т в год); тресковые - 10,7 млн. т в год (преимущественно треска атлантическая - 1,3 млн. т в год); скумбриевые - 5,1 млн. т в год; тунцовые - 4,5 млн. т в год; лососевые - 1,0 млн. т в год (в том числе: кета - более 400 тыс. т в год, горбуша - примерно 300 тыс. т в год, нерка - около 200 тыс. т в год, семга - несколько более 6 тыс. т в год) [18]. Промыслы морских млекопитающих. Киты по биологическим особенностям подразделяются на беззубых, или усатых китов (гренландский серый, финвал, сейвал, синий кит) и зубатых китов (кашалот, белуха, дельфин). Они распространены главным образом в антарктических водах и в меньшей степени - в северной части Тихого и Атлантического океанов. Белуха водится в прибрежных районах евроазиатской части Северного Ледовитого океана. С 1868 г., когда китобойный промысел стал проводиться со специальных судов с паровой машиной и гарпунной пушкой, по 1965 г. включительно в Мировом океане добыто около 2 млн. китов. Длительная интенсивная добыча китов, особенно высокая в 60-е годы XX столетия (в сезон 1962 г. было убито 66090 крупных китов всех видов - максимум за всю историю китобойного промысла), серьезно подорвала поголовье этих животных. По решению специальной организации - Международной китобойной комиссии (МКК) - в 1986 г. был подписан международный мораторий на коммерческую добычу китов. Небольшое количество китов разрешено добывать только жителям Крайнего Севера для пищевых целей. К морским ластоногим, иногда именуемым также морскими зверями, относятся различные виды тюленей, котики, нерпы и моржи. Все они обитают в водах умеренных и полярных широт. Их образ жизни тесно связан не только с водой, но и с берегом, где эти животные образуют большие скопления - лежбища. Главное место в промысле ластоногих занимает гренландский тюлень (лысун). Его добывают на льдах южной части горла Белого моря и у кромки льдов в восточной части Баренцева моря. Другие ластоногие имеют небольшую численность, находятся под охраной и добываются в незначительных количествах. Охрана животного мира. В литературе опубликованы многочисленные факты хищнического уничтожения животных, что приводило к полному истреблению целых видов. Так, за несколько десятилетий были полностью истреблены миллионные стада бизонов в Северной Америке, морская корова (корова Стеллера) на Командорских островах как вид была уничтожена за 27 лет после открытия, в связи с чем человек упустил возможность иметь морское домашнее животное. Охрана животного мира включает следующие направления: Охрана от прямого уничтожения ведется в отношении охотничье-промысловых, а также редких и исчезающих видов. Применительно к охотничье-промысловым видам на основе глубоких экологических исследований определяется допустимая норма изъятия из популяции, осуществляется регламентация промысла: по времени, по способам, по количеству и местам добычи, вводится лицензирование. По отношению к редким и исчезающим видам вводятся запреты и санкции за их нарушение, устанавливается охрана местообитаний. Охрана местообитаний ведется специальными военизированными формированиями и иногда принимает характер вооруженной борьбы. Известны многочисленные случаи столкновений пограничной охраны и егерей с браконьерами, в т.ч. с жертвами с обеих сторон. Важным направлением международного сотрудничества в охране природы становится борьба с браконьерским промыслом и контрабандой охраняемых видов [66]. Таможенные органы изымают перевозимых на продажу экзотических пресмыкающихся, обезьян, московская экологическая милиция в весеннее время задерживает и наказывает торгующих букетами крымских фиалок, занесенных в Красную книгу, природоохранные общественные организации проводят пропагандистские кампании против одежды из натурального меха и т.п. Виды, которым исчезновение угрожает в наибольшей степени, поддерживают и расселяют, в необходимых случаях искусственно подкармливают. Благодаря этим мерам, многие виды, которым в начале XX века грозило истребление, практически спасены (лось, бобр, соболь, сайгак), с другими видами такая работа по спасению продолжается (зубр, пятнистый олень). К охране животных от непосредственного уничтожения относятся также меры (преимущественно технические), направленные на предотвращение случайной гибели млекопитающих и пресмыкающихся под колесами автомобилей, птиц - при замыканиях на столбах линий электропередачи, при разливах нефти, от побочного действия пестицидов и т.п. [66]. Средством решения этой проблемы является экологическая экспертиза проектов, выполнение в полном объеме процедуры ОВОС при любых действиях, связанных с природопользованием. Охрана местообитаний видов приобретает все большее значение в связи с антропогенным преобразованием ландшафта. Необходимость сохранения видов требует во многих случаях ограничивать масштабы хозяйственного освоения территорий, оставлять уголки нетронутой природы. Так, среди сельскохозяйственных массивов необходимо оставлять участки леса или степи, позволяющие гнездиться птицам и одновременно выполняющие роль противоэрозионной защиты. В настоящее время на Дальнем Востоке существует проблема охраны мест обитания уссурийского тигра, т.к. в связи с хозяйственным освоением тайги сократилась численность крупных копытных - традиционной пищи тигра, и тигр стал приближаться к городам, участились случаи нападения на людей. Законодательство ряда стран устанавливает приоритетность охраны животного мира по отношению к хозяйственному освоению территорий. Так, в США, согласно судебному решению 1896 года дичь считается находящейся в собственности штатов, а вред от нее частным собственникам не подлежит возмещению, поскольку дичь обитала на тех же местах до их появления. Общества охраны животных собирают пожертвования (главным образом, среди школьников) для выплаты компенсаций скотоводам за ущерб, наносимый их стадам хищниками, чтобы удержать фермеров от их отстрела. Борьба с вредными видами, наносящими ущерб хозяйству и участвующими в циркуляции патогенных микроорганизмов, ведется различными методами. В последние десятилетия химические методы в значительной степени дискредитировали себя и вытесняются биологическими. Задача борьбы с вредными видами заключается не в их уничтожении, а в сдерживании в определенных рамках. Отношение к подобным видам может периодически пересматриваться, в зависимости от складывающейся ситуации. Наиболее четко это проявляется на примере волков. Достаточно часто вредными оказываются виды, непроизвольно вселенные в новые для них экосистемы. Так, широко известны катастрофические последствия вселения в экосистемы Австралии кролика, массовая гибель аральского шипа в результате непреднамеренного завоза из Каспийского моря жаберного сосальщика [66], распространение колорадского жука, и др. Поэтому составной частью охраны животного мира являются карантинные мероприятия, направленные на профилактику подобных явлений. Красная книга. Международный союз охраны природы и природных ресурсов (МСОП) выяснил, что на Земле с 1600 года исчезло 63 вида и 44 подвида млекопитающих, 74 вида и 87 подвидов птиц (1,2% всех известных высших позвоночных) [66] и т.д., что в подавляющем большинстве случаев произошло по вине человека. В течение многих лет МСОП собирал информацию об исчезнувших и исчезающих видах, после чего была составлена международная "Красная книга". Она состоит из отдельных листов, посвященных отдельным видам, эти листы могут заменяться на другие, исключаться, добавляться, перемещаться из одного раздела в другой. По каждому виду, включенному в Красную книгу, приводятся подробные данные о его прежнем и современном распространении, местах обитания, численности, образе жизни, темпах размножения, количестве животных в зоопарках, о мерах по охране, принимаемых в разных странах. Редкие и исчезающие виды подразделяются на 5 категорий: - исчезающие виды, находящиеся под серьезной угрозой, для спасения которых необходимы немедленные специальные меры; - редкие виды, которым опасение исчезновения пока не грозит, но встречаются столь ограниченно, что скоро могут перейти в разряд исчезающих; - сокращающиеся виды, которые встречаются еще в достаточном для выживания количестве, но численность которых быстро и неуклонно падает; - неопределенные виды, биология которых изучена мало, и недостаток сведений не позволяет достоверно оценить их численность, но имеются основания предполагать, что они находятся под угрозой вымирания; - виды восстановленные, благодаря принимаемым мерам. Имеются международные, национальные (на уровне государств) и региональные варианты Красной книги. Красная книга СССР издания 1984 года [28] включала 94 вида и подвида млекопитающих, 80 видов птиц, 37 видов пресмыкающихся, 9 видов земноводных, 9 видов рыб, 202 формы насекомых, 2 вида ракообразных, 604 вида сосудистых растений, 32 формы мохообразных, 29 - лишайниковых, 26 категорий грибов. 2. Экологическое состояние растительного мира Растения составляют преобладающую часть биомассы (98%), только растения осуществляют фотосинтез органических соединений. Общеизвестна роль растений в формировании и поддержании газового состава атмосферы и, следовательно, в формировании геохимических обстановок, включая условия миграции всех элементов. Связывание углекислого газа растениями и вывод его из атмосферы образует механизм саморегуляции глобальных температур [10], при этом одновременно происходит аккумуляция солнечной энергии в виде обладающих химической энергией органических соединений. Фотосинтез протекает на Земле почти повсеместно, где температура за вегетационный период превышает 5оС. Первичная продукция фотосинтеза вовлекается во внутриклеточный химический процесс и служит исходным материалом для построения других, обычно более сложных органических соединений. Растения, как продуценты, лежат в основе всех трофических цепей. Растения служат источником питания людей, используются на корм сельскохозяйственным животным, в качестве лекарственного сырья, в качестве промышленного сырья для многих продуктов, от одежды до пороха. Растительность является ведущим фактором почвообразования и защиты почвы от эрозии. Общеизвестно также гигиеническое, рекреационное и декоративное значение растительности. Проблема рационального использования растительных ресурсов включает два основных аспекта: а) охрана и рациональное использование растительных сообществ, б) сохранение редких и исчезающих растений. Первое подразумевает разумное сочетание территорий с разным характером природопользования ( см. выше), с тем чтобы деструктивное воздействие промышленных, сельскохозяйственных и селитебных ландшафтов компенсировалось санирующими ландшафтами: естественной растительностью лесов и лугов, искусственными насаждениями санитарно-защитных, рекреационных и водоохранных зон, полезащитных лесопосадок. Значение второго аспекта в последние десятилетия было переосмыслено в связи с развитием генетики и необходимостью поиска генетического материала для выведения более продуктивных сортов. Начало этому положили работы Н.И.Вавилова, и в частности его идея о стихийном и далеко не всегда оптимальном отборе исходных диких сортов, от которых после тысячелетней селекции произошли современные культурные растения. Поэтому поиск диких предков культурных растений, исследование их разновидностей с использованием новейших методов может открыть новые горизонты для получения высокоурожайных сортов. Продолжением этих работ стала так называемая "зеленая революция" в сельском хозяйстве, связанная, в значительной степени, с достижениями генетики. К величайшему сожалению, в силу известных исторических обстоятельств Россия утратила некогда передовые позиции в этой области. Среди природных растительных сообществ наибольшее значение как для экономики, так и для поддержания экологического равновесия, играют лесные и луговые сообщества. Следует отметить, что на всех континентах степи настолько сильно изменены, что применимо к современным условиям было бы более правильно вести речь о бывших степях, характерная особенность которых - исключительное однообразие растительности (всего несколько видов культурных растений и несколько десятков видов сорняков), которая к тому же покрывает их всего несколько месяцев в году [31]. Следствием этого является утрата способности ландшафта к саморазвитию, малая устойчивость к последствиям естественных колебаний увлажнения. Охрана растительных сообществ, особенно аридных и семиаридных территорий, тесно связана с охраной земель. Так, известна роль чрезмерного демографического роста и перевыпаса скота в опустынивании Сахельской зоны Африки. Решение этой проблемы возможно на путях повышения продуктивности скота и эффективности ведения хозяйства, что требует значительных инвестиций. В целях снижения потребления древесины в качестве топлива общественные организации экологической направленности проводят бесплатную раздачу населению Западной Африки печей для приготовления пищи, вместо традиционных открытых очагов. Леса - наиболее продуктивная растительная формация на Земле, что обусловливается их наиболее высокой способностью аккумулировать солнечную энергию. Леса, занимая 25,8% площади суши, вырабатывают 2/3 органических веществ, синтезируемых на Земле [31]. Продуктивность первичных естественных лесов составляет 12-16 м3/га в год во влажных экваториальных лесах Амазонии, бассейна Конго, Филиппинских островов и Индонезии, 9-12 м3/га в муссонных лесах Индокитая, Южной и Центральной Америки, 6-9 м3/га в лесах северо-востока Китая и Кореи, Индостана, Западной Европы, юго-запада Северной Америки, 3-6 м3/га в Европейской части России и менее 3 м3/га - в таежных лесах Сибири [31], т.е. леса России (за исключением лесов юга Дальнего Востока и Северного Кавказа) относятся к числу наименее продуктивных в мире. Эту особенность следует иметь в виду, т.к. в массовом сознании лесные ресурсы и лесопокрытые площади обычно воспринимаются как синонимы. Продуктивность вторичных лесов, возникших на месте вырубленных первичных, зависит от способов ведения лесного хозяйства и, соответственно, может быть как выше, так и ниже естественной продуктивности. Средний прирост древесины по бывшему СССР - всего 1,4 м3/га в год. Такой показатель лесного хозяйства означает, что оно является экстенсивным, малоэффективным. Необходимые объемы лесной продукции удается получить за счет эксплуатации огромной лесопокрытой площади, что в свою очередь порождает массу проблем: слабость охраны, многочисленные потери леса при вывозе, молевом сплаве, за счет пожаров, недостаточность работ по уходу за лесом. Лесопользование и охрана лесов Лесопользование в течение многих лет противопоставлялось охране лесов и рассматривалось с точки зрения изъятия из лесных фитоценозов определенного количества спелой древесины. В настоящее время в связи с экологической обстановкой во всем мире лесопользование рассматривается не как одностороннее древесиноиспользование, а как многосторонний процесс, в котором получение древесины увязывается с другими функциями лесных экосистем [64]. Лесной кодекс России устанавливает следующие виды лесопользования: заготовка древесины, заготовка живицы, заготовка второстепенных лесных материалов, побочное лесопользование, пользование участками лесного фонда для нужд охотничьего хозяйства, пользование участками лесного фонда для научно-исследовательских целей, пользование участками лесного фонда для культурно-оздоровительных, туристических и спортивных целей. Право лесопользования, согласно Лесному кодексу России, осуществляется на основе договоров аренды, безвозмездного пользования, концессии, лесорубочных билетов и ордеров, лесных билетов. Группировка лесов по характеру использования включает их подразделение на 3 группы: К первой группе относятся следующие виды лесов: водоохранные леса (запретные полосы по берегам рек, озер, водохранилищ), защитные леса (противоэрозионные, в т. ч. на крутых горных склонах, государственные лесозащитные полосы, лесополосы вдоль железных и автомобильных дорог), санаторно-гигиенические и оздоровительные леса (городские леса, леса зеленых зон вокруг городов и промышленных предприятий, леса зон санитарной охраны источников водоснабжения и округов санитарной охраны курортов), леса заповедников и национальных природных парков, леса, имеющие научное или историческое значение, притундровые и субальпийские леса. В лесах 1-й группы лесное хозяйство ведется в соответствии с целевым назначением, ведущее место занимает использование не сырьевых ресурсов леса, а его защитных, санитарно- гигиенических и других свойств. Допускаются только рубки ухода и санитарные рубки (см. ниже). Ко второй группе относятся леса в районах с высокой плотностью населения и развитой транспортной сетью, имеющие защитное и ограниченное эксплуатационное значение. В этих лесах сырьевые и несырьевые ресурсы используются в равной мере. Рубки должны проводиться способами, направленными на восстановление лесов хозяйственно-ценными породами, а также на сохранение и восстановление защитных свойств лесов. К третьей группе относятся леса многолесных районов, имеющие преимущественно эксплуатационное значение. Рубки в них проводятся способами, обеспечивающими в первую очередь экономически эффективную эксплуатацию. Заготовка древесины осуществляется при рубках главного пользования, промежуточного пользования и прочих. Главное пользование лесом осуществляется в лесах, достигших возраста спелости, при котором получаемая древесина по своим размерам и свойствам соответствует требованиям лесоперерабатывающих отраслей промышленности. В зависимости от природных и экономических условий, применяют сплошнолесосечные, постепенные и выборочные рубки. Сплошнолесосечные рубки выделяются по периодичности осуществления, размерам лесосек, их взаимному расположению, в зависимости от отнесения лесов к первой, второй или третьей группам, а также местных условий, устанавливаемых региональными правилами. Обязательным условием проведения сплошнолесосечных рубок является содействие лесовосстановлению путем сохранения жизнеспособного подроста и деревьев- обсеменителей (не менее 15-20 на 1 га). При постепенных рубках спелый древостой вырубается за 2-3 приема так, чтобы это освободило пространство для роста молодых деревьев главной породы. Наиболее применимы постепенные рубки к лиственно-еловым лесам, где под пологом спелого леса лиственных пород имеется еловый подрост. В этом случае устранение затеняющего воздействия лиственных деревьев не только позволяет получить древесину, но и способствует более быстрому, чем естественным путем, восстановлению ели как главной породы. В разновозрастных лесах, где древостой представлен 2-3 возрастными генерациями, проводятся выборочные рубки, с различным периодом повторяемости. К промежуточному пользованию относится заготовка древесины при проведении рубок ухода, санитарных рубок, рубок реконструкции, переформирования и обновления. Рубки ухода проводятся для осветления и прочистки молодняка, санитарные рубки - для удаления больных деревьев, заселенных стволовыми вредителями, рубки реконструкции, переформирования и обновления - для изменения породного состава леса. Общей целью всех этих рубок является формирование устойчивого, высокопродуктивного фитоценоза, соответствующего местным природным условиям и представленного хозяйственно- ценными породами. Прочие рубки осуществляются при прокладке трасс линий электропередач, дорог и трубопроводов, создании противопожарных разрывов. Заготовка живицы - ценного сырья для химической, парфюмерной, медицинской промышленности проводится в хвойных лесах высокой и средней продуктивности, путем подсочки деревьев соответствующего возраста. Подсочка осуществляется обычно за 15 лет до возраста рубки главного пользования. Заготовка второстепенных лесных материалов - коры, бересты, лапника, лыка, пней должна проводиться одновременно с рубками различных видов, с целью обеспечения как санитарной очистки лесосек, так и комплексного использования лесных ресурсов. Необходимость своевременной очистки лесосек от порубочных остатков - "традиционная" тема критических публикаций о лесной отрасли в нашей стране, не менее известно умение, например, японских лесопромышленников "использовать русскую древесину на 102%". Организационное разделение функций охраны и использования лесов, введение конкурсного лесопользования должно помочь решить эту застарелую проблему. Побочное лесопользование включает сенокошение, пастьбу скота, размещение ульев и пасек, заготовку древесных соков, дикорастущих плодов, ягод, грибов, лекарственных растений, сбор мха и лесной подстилки. Проблема использования недревесных лесных ресурсов связана с крайней неравномерностью данного вида лесопользования. Вблизи крупных городов и магистральных дорог, как правило, создается чрезмерная антропогенная нагрузка, приводящая к деградации грибницы, ягодников, травяного покрова и лесной подстилки, тогда как на удалении от транспортных коммуникаций недревесные ресурсы используются незначительно. Усугубляет эту проблему использование браконьерских приемов сбора ягод - применение различных гребенок, "комбайнов", повреждающих ягодники и лесную подстилку. Лесным кодексом установлена платность использования, в т.ч. недревесных лесных ресурсов, однако по ряду социально-экономических причин это практически не реализуется. Пользование участками лесного фонда для нужд охотничьего хозяйства осуществляется на условиях аренды. Продуктивность охотничьих угодий по промысловым видам отличается от продуктивности по древесине. Например, осина - далеко не лучшая древесная порода с точки зрения лесного хозяйства, но ее обильная поросль служит кормом. Поэтому в ценных охотничьих угодьях направленность лесотехнических мероприятий соответствующим образом корректируется. Пользование участками лесного фонда для научно-исследовательских целей осуществляется, главным образом, в лесных экосистемах, не нарушенных хозяйственной деятельностью. Таким экосистемам, представляющим объект комплексных экологических, геоботанических, зоологических исследований и геоэкологического мониторинга, обычно придают статус особо охраняемых природных территорий. Пользование участками лесного фонда для культурно-оздоровительных, туристических и спортивных целей играет важную роль в организации отдыха и оздоровления. Лесам, активно используемым в рекреационных и санитарно- гигиенических целях, придают соответствующий статус (зеленые зоны городов, санаторно-курортные местности, национальные и природные парки), проводят необходимое обустройство. Защита лесов от болезней и вредных насекомых включает лесохозяйственные, биологические, химические, физико-механические и карантинные мероприятия. Лесохозяйственные мероприятия имеют главным образом профилактическое значение. Они включают: отбор для посадки высококачественных саженцев, во избежание заноса вредителей и возбудителей болезней, своевременные рубки ухода с удалением деревьев, свежезаселенных стволовыми вредителями, удаление хвороста и валежника, на которых происходит размножение вредителей. Биологические мероприятия включают использование хищных и паразитных насекомых, насекомоядных птиц и зверей, а также патогенных бактерий и вирусов. Наиболее распространенное и высокоэффективное средство борьбы с вредителями - муравьи, которые способны сдержать размножение вредных насекомых. Муравьи естественным образом расселяются медленно, поэтому проводят их искусственное расселение в лесах, где есть угроза вспышек численности вредителей. Создан ряд бактериальных препаратов: дендробациллин, инсоктин и др. Химические мероприятия основаны на использовании инсектицидов и фунгицидов (см. выше). Химические методы осуществляются как крайняя мера, при вспышках численности?, путем разбрызгивания препаратов с наземных машин, ранцевых опрыскивателей, либо с самолетов и вертолетов. Физико-механические методы - соскабливание кладок яиц непарного шелкопряда, срезание паучьих гнезд, сбор личинок и т.п., т.е. ручные работы. Карантинные мероприятия - это контроль перевозок грузов с целью недопущения заноса вредителей и болезней. Охрана лесов от пожаров. Известно, что 97% лесных пожаров происходят по вине человека, 3% - от молний. Поэтому охрана лесов в пожароопасный период включает ограничения и запреты на въезд в леса, с соответствующими административными мерами, а также разъяснительную работу с работниками предприятий и экспедиций, отдыхающими. Профилактические мероприятия включают также создание и поддержание минерализованных полос вдоль просек, своевременную очистку вырубок от порубочных остатков. С пожарами, которые все же возникли, ведут борьбу лесохозяйственные организации, оснащенные тракторами, и специализированные организации, в т.ч. авиационная охрана с командами десантников-пожарных, авиационной техникой, способной вызывать искусственные осадки с помощью химических реагентов. При больших масштабах лесных пожаров к борьбе с ними привлекается население и армейские подразделения. Лекция №13 Тема: Проблемы народонаселения Рост народонаселения Мира и отдельных регионов. Проблема перенаселенности. Демографические кризисы в истории человечества. "Неолитическая революция" - переход от кочевых охотничьих и собирательских общин к оседлому земледелию. Предпосылки перехода: изменение климата, оскудение природных ресурсов. Демографические последствия: увеличение продуктивности угодий, рост народонаселения, возрастающая потребность в рабочей силе. Экологические последствия: усиливающаяся эрозия почв, понижение уровня грунтовых вод. "Промышленная революция" - возрастающее использование угля, выплавка железа, изобретение новых видов техники, в том числе парового двигателя. Переход от мануфактурного производства к фабричному с разделением труда и ростом его производительности. Демографические, социальные и экологические последствия перехода: ускоряющийся рост народонаселения, хищническая эксплуатация природных ресурсов, возрастающее загрязнение среды в промышленных центрах. Современная "научно-техническая революция" - качественная и количественная особенность нового этапа: создание материалов, ранее не существовавших в природе; многократная интенсификация антропогенного воздействия; переход от очагового воздействия на природу к сплошному. Первые опасения относительно возможной катастрофы в случае пере- населенности мира. Томас Роберт Мальтус (1766-1834). Соотношение рождаемости и смертности. Причины снижения смертности. Причины снижения рождаемости и консервативности этого процесса. "Демографический взрыв" как следствие разности темпов снижения смертности и рождаемости. Прогнозы дальнейшего роста численности народонаселения Мира. Особенности XX века. Крах колониальной системы. Помощь в развитии бывшим колониям. Лавинообразное возрастание численности народонаселения Мира в XX в основном на территориях развивающихся стран. Предполагаемые последствия перенаселенности: исчерпание ресурсов, недостаток продовольствия, социальные волнения, климатические изменения в связи с потеплением климата при возрастающем энергопотреблении, загрязнение среды обитания. Современное состояние продовольственной проблемы на земле и в от- дельных регионах. Земельные и почвенные ресурсы. Доля поверхности суши, пригодной для ведения сельского хозяйства. Плодородие земли. Условия образования и сохранения плодородного почвенного слоя. Рекультивация почв. Негативные последствия искусственного повышения плодородия земли: эрозия почвы, токсический эффект от применения минеральных удобрений и пестицидов, рост себестоимости сельхозпродукции. Лекция №14 Тема: Концепция ноосферы В.И. Вернадского Цель лекции: ознакомить с концепцией ноосферы В.И. Вернадского. План лекции: 1. Концепция ноосферы Э. Леруа, Пьера Тейяра, Д. Шардена и В.И. Вернадского. Черты сходства и различия. 2. Процесс перехода биосферы в ноосферу. 3. Историческая неизбежность трансформации биосферы в ноосферу. 4. Понятие о биосферно-ноосферной целостности. 5. Ноосферный комплекс и его составляющие. 6. Ноосферная концепция как основа научного управления. 7. Биосферно-ноосферное учение В.И. Вернадского - научный фундамент глобальной и социальной экологии. 8. Глобальные экологические проблемы как результат нарушения сложившейся организованности биосферно-ноосферной целостности. Основные понятия по теме: ноосфера, целостность, комплекс. Имя великого русского ученого и мыслителя Владимира Ивановича Вернадского широко известно и высоко чтимо во всем цивилизованном мире. История науки знает немало великих имен, с которыми связаны фундаментальные открытия, однако почти всегда это ученые, работавшие в одной области знаний. Несравненно реже - мыслители, которые охватывали мудрым взором всю совокупность знаний своей эпохи и на столетия вперед определяли развитие научного мировоззрения. В ХХ веке таким мыслителем стал В.И. Вернадский. Естествоиспытатель, основоположник геохимии, биогеохимии, минеролог, кристаллограф, радиогеолог, автор трудов по философии естествознания, науковедению и др. Но и это не все. В.И. Вернадский разработал также учение о биосфере Земли и неизбежности ее превращения под действием коллективного разума и труда человечества в ноосферу, которая будет удовлетворять все материальные и духовные потребности численно возрастающего человечества. Труды В.И.Вернадского не только внесли огромный вклад в развитие многих разделов естествознания, но и принципиально изменили научное мировоззрение XX века, определили положение человека и его научной мысли в эволюции биосферы, позволили по-новому взглянуть на окружающую нас природу как среду обитания человека, поставили много актуальных проблем и наметили пути их решения в будущем. Концепция ноосферы продолжает учение о биосфере применительно ко взаимоотношению человека с окружающей природной средой. Как живое вещество (это стало ясно благодаря фундаментальным трудам В. И. Вернадского) преображает косную материю, являющуюся основой ее развития, так человек неизбежно обладает обратным влиянием на природу, породившую его. Как живое и неживое вещества, объединенные цепью прямых и обратных связей, образуют единую систему - биосферу, так человечество и природная среда образуют единую систему - ноосферу. Рост населения, качественный скачок в развитии науки и техники за последние два столетия, и особенно в наши дни, привели к тому, что деятельность человека стала фактором планетарного масштаба, направляющей силой дальнейшей эволюции биосферы. Сейчас человечество использует для своих нужд все большую часть территории планеты и все большие количества минеральных ресурсов. Учение В.И. Вернадского о биосфере и ноосфере в наше время стало основой экологической стратегии человечества, от которой зависит его будущее. Экологические вопросы становятся, к сожалению, все более актуальными в наши дни. При работе над рефератом были использованы разноплановые источники литературы. Определение понятия "ноосфера", основные характеристики и суть концепции В. И. Вернадского наиболее полно представлены в учебниках по культурологии, а также в учебнике Горелова "Концепция современного естествознания". В статье Оленьева В. В. и Федотова А. П. представлены те "предсказания" изменений в мире при переходе от биосферы к ноосфере, которые сделал Вернадский много лет назад и которые сейчас начинают сбываться. Негативное влияние человечества на экологию, на происходящие в природе процессы, а также описание возможного хода решения этих проблем в концепции ноосферы представлены в статье Фейгенберга. Мельников и Орлов в своих статьях представили размышления о возможности изменения человеческого сознания настолько, чтобы окончательный переход к "ноосфере", т. е. к "сфере разума" был осуществлен, чтобы человечество отвечало за свои действия. В статье Зубакова рассмотрена перспективность концепции ноосферы, возможности ее применения в настоящее время. 1. Единство биосферы и человека Центральной темой учения о ноосфере является единство биосферы и человечества. Вернадский в своих работах раскрывает корни этого единства, значение организованности биосферы в развитии человечества. Это позволяет понять место и роль исторического развития человечества в эволюции биосферы, закономерности ее перехода в ноосферу. Одной из ключевых идей, лежащих в основе теории Вернадского о ноосфере, является то, что человек не является самодостаточным живым существом, живущим отдельно по своим законам, он сосуществует внутри природы и является частью ее. Это единство обусловлено, прежде всего, функциональной неразрывностью окружающей среды и человека, которую пытался показать Вернадский как биогеохимик. Человечество само по себе есть природное явление и естественно, что влияние биосферы сказывается не только на среде жизни, но и на образе мысли. Но не только природа оказывает влияние на человека, существует и обратная связь. Причем она не поверхностная, отражающая физическое влияние человека на окружающую среду, она гораздо глубже. Это доказывает тот факт, что в последнее время заметно активизировались планетарные геологические силы. В последнее время резко меняется отражение живых существ на окружающей природе. Благодаря этому процесс эволюции переносится в область минералов. Резко меняются почвы, воды и воздух. То есть эволюция видов, сама превратилась в геологический процесс, так как в процессе эволюции появилась новая геологическая сила. Вернадский писал: "Эволюция видов переходит в эволюцию биосферы". Здесь естественно напрашивается вывод о том, что геологической силой является собственно вовсе не Homo Sapiens, а его разум, научная мысль социального человечества. В "Философских мыслях натуралиста" Вернадский писал: "Мы как раз переживаем ее яркое вхождение в геологическую историю планеты. В последние тысячелетия наблюдается интенсивный рост влияния одного видового живого вещества - цивилизованного человечества - на изменение биосферы. Под влиянием научной мысли и человеческого труда биосфера переходит в новое состояние - в ноосферу". Контрольные вопросы: 1. Концепция ноосферы Э. Леруа, Пьера Тейяра, Д. Шардена и В.И. Вернадского. Черты сходства и различия. 2. Процесс перехода биосферы в ноосферу. 3. Историческая неизбежность трансформации биосферы в ноосферу. 4. Понятие о биосферно-ноосферной целостности. 5. Ноосферный комплекс и его составляющие. 6. Ноосферная концепция как основа научного управления. 7. Биосферно-ноосферное учение В.И. Вернадского - научный фундамент глобальной и социальной экологии. 8. Глобальные экологические проблемы как результат нарушения сложившейся организованности биосферно-ноосферной целостности. Лекция №15 Тема: Концепция устойчивого развития Цель лекции: познакомить студентов с понятием "Устойчивое развитие", историей возникновения и ее задачами. План лекции: 1. Необходимость возникновения современной концепции устойчивого развития 2. От проблем экологии к проблемам устойчивого развития 3.Задачи и проблемы концепции устойчивого развития. 4. Основные правила концепции устойчивого развития. Основные понятия по теме: Концепция устойчивого развития, проблемы устойчивого развития, ЮНЕП (Программа ООН по окружающей среде), совещание по безопасности и сотрудничеству в Европе, "Итоговый документ" Венской встречи 1986 г., Конференция ООН по окружающей среде и развитию, конференция в Йоханнесбурге 2002г., Всемирный саммит по окружающей среде и развитию в Рио-де-Жанейро 1992г., основные правила концепции устойчивого развития. Поскольку без использования природных ресурсов ни одно государство и ни один человек на Земле не может жить, а достойная жизнь определяется уровнем их потребления и распределения, возникают множество проблем и конфликтных ситуаций, ведущих к войнам и нарушению устойчивого развития. Темпы роста населения Земли от года усиливают антропогенную нагрузку на окружающую среду. Нужно иметь в виду, что природа служит не только материальной основой для экономического развития, но и эстетической средой для удовлетворения духовных потребностей человека. Если попытаться определить возникновение современной концепции устойчивого развития, то можно заметить, что именно с проблем экологии начала формироваться концепция устойчивого развития в современном понимании (рис.). Все началось 5 июня 1972 г,. 5 июня был признан Всемирным днем охраны окружающей среды. В столице Швеции - г. Стокгольме открылась специальная Конференция по окружающей среде, которая стала поворотным этапом в экологической политике международного сообщества, так как впервые на представительном форуме, посвященном лишь экологическим проблемам планеты Земля, были выработаны основные принципы охраны окружающей среды. В одном из пунктов "Декларации принципов", выражающих отношение мирового сообщества к проблеме окружающей среды, говорилось: "Экономическое и социальное развитие, имеющее решающее значение для улучшения окружающей среды" (в отличие от теории ограничения роста, требовавшей остановить развитие науки и техники для сохранения качества среды). В плане мероприятий по охране окружающей среды, содержащем 109 пунктов, основное внимание было уделено решению организационных и политических вопросов охраны окружающей среды и взаимоотношений государств, а также роли международных организаций. Рис. От проблем экологии к проблемам устойчивого развития Согласно решениям Стокгольмской конференции был создан постоянно действующий орган ООН по охране окружающей среды - ЮНЕП (Программа ООН по окружающей среде). День открытия конференции - 5 июня - ежегодно в мире отмечается как Всемирный день охраны окружающей среды. В Совещании по безопасности и сотрудничеству в Европе, прошедшее в г. Хельсинки в августе 1975 г. с участием 35 европейских стран, США и Канады был принят "Заключительный акт". В этом документе указывалось необходимость обеспечения экологической безопасности, как в национальном, так и в глобальном масштабе для достижения общей безопасности стран и всего мира. В "Итоговом документе" Венской встречи 1986 г. представителей государств - участников ОБСЕ была подчеркнута тесная взаимосвязь обязательств по хельсинским договоренностям и стабильного развития государств. Концепция "устойчивого" (самоподдерживающегося) развития была впервые предложена в 1987 г. в докладе Международной комиссии ООН подготовленной представителями более 200 государств. В развитие концепции устойчивого развития 3-14 июня 1992 г. в Рио-де-Жанейро была проведена специальная Конференция ООН по окружающей среде и развитию, утвердила данную концепцию как руководство к действию для всех стран нашей планеты на ХХI век. Следующая конференция в Йоханнесбурге 2002 г., посвященная к 10-летию встречи в Рио, проходила под лозунгом "Устойчивое развитие". Она доказала, что решение экологических проблем служит стабилизирующим фактором устойчивого развития всего мирового сообщества. Мир хрупок как в экономически развитых, так и в отсталых странах, пока есть бедность и нищета. Нищие и голодные люди в слабо развитых странах никогда не будут думать о сохранении природной среды или о предупреждении социальных катаклизмов. Без обеспечения социально-экономического устойчивого развития нельзя добиться безопасности окружающей среды. Социально-экономическая безопасность и экологическая стабильность неразделимы и находятся в единой системе устойчивого развития, решение одной проблемы без других невозможно. Новая концепция устойчивого развития мирового сообщества впервые была сформирована в 1987 г. Всемирной комиссией ООН по окружающей среде и развитию. В докладе этой комиссии "Наше общее будущее", широко известном как доклад Гро Харлем Брундтланда, была выдвинута концепция (или модель) устойчивого развития мирового сообщества, включающая удовлетворение жизненных потребностей нынешнего поколения людей с учетом права будущих поколений на достойную жизнь. В резолюции Генеральной Ассамблеи ООН №44/428 от декабря 1989 г. указывалось на необходимость созыва конференции с участием всех субъектов ООН для выработки стратегии устойчивого развития. Именно эта Декларация ООН послужила основой созыва в 1992 г. в Рио-де-Жанейро Всемирного саммита по окружающей среде и развитию. Международная конференция в Рио определила новую концепцию устойчивого развития, на которой мы более подробно остановимся в специальных разделах нашего курса. Выработанная мировым сообществом концепция устойчивого развития - эта система взглядов на характер, сущность и содержание стабильного развития государств и всего мирового сообщества. В Декларации ООН по окружающей среде и развитию, которая была принята на конференции в Рио-де-Жанейро, было сказано: "Забота о человеке является центральным звеном в деятельности по обеспечению устойчивого развития. Люди имеют право жить в добром здравии и плодотворно трудиться в гармонии с природой". Концепция устойчивого развития, включающая вышеприведенные правила, охраны окружающей среды, отвечает требованиям международного права, поскольку они способствуют гармоничному взаимодействию общества и природы. Соблюдение экологических правил, несомненно, будет служить сотрудничеству и стабильному развитию всего мирового сообщества. Контрольные вопросы: 1. Объясните необходимость в создании концепции устойчивого развития общества. 2. Какова основная цель концепции устойчивого развития общества? 3. Что Вы знаете о важнейшем форуме по экологии в XX-м веке - Конференции ООН в Рио-де-Жанейро 1992г? 4. Перечислите основные правила концепции устойчивого развития. 5. В соответствии каким документом государства должны разрешать экологические споры мирным путем и надлежащими средствами. 6. В какой мере оправданно отождествлять переход к устойчивому развитию общества с "экологической революцией"? 7. Как вы думаете, что нужно предпринять чтобы общество перешло к реализации модели устойчивого развития?

Показать полностью… https://vk.com/doc226888174_301379948
249 Кб, 25 мая 2014 в 8:08 - Россия, Москва, ГЭИ, 2014 г., docx
Рекомендуемые документы в приложении