Biosfera ir žmogus

Экология

Проблемы экологии

Биосфера и человек

СОДЕРЖАНИЕ
Биосфера, ее структура и функции
Биосфера и человек
1. Природные ресурсы и их использование
2. Последствия хозяйственной деятельности человека для окружающей среды
3. Охрана природы и перспективы рационального природопользования
Заключение

I. Биосфера, ее структура и функции.
Около 60 лет назад выдающийся русский ученый академик В.И. Вернадский разработал учение о биосфере – оболочке Земли, населенной живыми организмами. В.И. Вернадский распространил понятие биосферы не только на организмы, но и на среду обитания. Он выявил геологическую роль живых организмов и показал, что их деятельность представляет собой важнейший фактор преобразования минеральных оболочек планеты. Он писал: “На земной поверхности нет химической силы более постоянно действующей, а поэтому более могущественной по своим конечным последствиям, чем живые организмы, взятые в целом”. Более правильно, поэтому определять биосферу как оболочку Земли, которая населена и преобразуется живыми существами.
В составе биосферы различают:
• живое вещество, образованное совокупностью организмов;
• биогенное вещество, которое создается в процессе жизнедеятельности организмов (газы атмосферы, каменный уголь, известняки и др. );
• косное вещество, образующееся без участия живых организмов (основные породы, лава вулканов, метеориты);
• биокосное вещество, представляющее собой совместный результат жизнедеятельности организмов и абиогенных процессов (почвы).
Эволюция биосферы обусловлена тесно взаимосвязанными между собой тремя группами факторов: развитием нашей планеты как космического тела и протекающих в ее недрах химических преобразований, биологической эволюции живых организмов и развитием человеческого общества.
Границы биосферы определяются факторами земной среды, которые делают невозможным существование живых организмов. Верхняя граница проходит примерно на высоте 20 км от поверхности планеты и отграничена слоем озона, который задерживает губительную для жизни коротковолновую часть ультрафиолетового излучения Солнца. Таким образом, живые организмы могут существовать в тропосфере и нижних слоях стратосферы. В гидросфере земной коры организмы проникают на всю глубину Мирового океана – до 10-11км. В литосфере жизнь встречается на глубине 3,5-7,5 км, что обусловлено температурой земных недр и уровнем проникновения воды в жидком состоянии.
Атмосфера. Газовая оболочка состоит в основном из азота и кислорода. В небольших количествах в ней содержится диоксид углерода (0,003 %) и озон. Состояние атмосферы оказывает большое влияние на физические, химические и биологические процессы на поверхности Земли и в водной среде. Для биологических процессов наибольшее значение имеют: кислород, используемый для дыхания и минерализации мертвого органического вещества, диоксид углерода, участвующий в фотосинтезе, и озон экранирующий земную поверхность от жесткого ультрафиолетового излучения. Азот, диоксид углерода, пары воды образовались в значительной мере благодаря вулканической деятельности, а кислород – в результате фотосинтеза.
Гидросфера. Вода – важный компонент биосферы и один из необходимых факторов существования живых организмов. Основная ее часть (95%) находится в Мировом океане, который занимает около 70 % поверхности Земного шара и содержит 1 300 млн. км.
Большое значение имеют газы, растворенные в воде: кислород и диоксид углерода. Их содержание широко варьируется в зависимости от температуры и присутствия живых организмов. В воде содержится в 60 раз больше диоксида углерода, чем в атмосфере.
Гидросфера формировалась в связи с развитием литосферы, которая в течение геологической истории Земли выделяла большое количество водяного пара.
Литосфера. Основная масса организмов, обитающих в пределах литосферы, находится в почвенном слое, глубина которого не превышает нескольких метров. Почва включает минеральные вещества, образующиеся при разрушении горных пород, и органические вещества – продукты жизнедеятельности организмов.
Живые организмы (живое вещество). Хотя границы биосферы довольно узки, живые организмы в их пределах распределены очень неравномерно. На большой высоте и глубинах гидросферы и литосферы организмы встречаются относительно редко. Жизнь сосредоточена главным образом на поверхности земли, в почве и приповерхностном слое океана.
В распределении живых организмов по видовому составу наблюдается важная закономерность. Из общего числа видов 21 % приходится на растения, но их вклад в общую биомассу составляет 99 %. Среди животных 96 % видов беспозвоночные и только 4% позвоночные, из которых только десятая часть – млекопитающие.
Таким образом, в количественном отношении преобладают формы, состоящие на относительно низком уровне эволюционного развития.
Масса живого вещества составляет всего 0,01-0,02% от косного вещества биосферы, одна она играет ведущую роль в геохимических процессах. Вещества и энергию, необходимую для обмена веществ, организмы черпают из окружающей среды. Огромные количества живой материи воссоздаются, преобразуются и разлагаются.
Ежегодно благодаря жизнедеятельности растений и животных воспроизводится около 10 % биомассы.
Главная функция биосферы заключается в обеспечении круговорота химических элементов, который выражается в циркуляции веществ между атмосферой, почвой, гидросферой и живыми организмами.
II. Биосфера и человек.
Современный человек сформировался около 30-40 тыс. лет назад. С этого времени в эволюции биосферы стал действовать новый фактор – антропогенный.
Первая созданная человеком культура – палеолит (каменный век) продолжалась примерно 20-30- тыс. лет; она совпала с длительным периодом оледенения. Экономической основой жизни человеческого общества была охота на крупных животных: благородного и северного оленя, шерстистого носорога, осла, лошадь, мамонта, тура. На стоянках человека каменного века находят многочисленные кости диких животных – свидетельство успешной охоты. Интенсивное истребление крупных травоядных животных привело к сравнительно быстрому сокращению их численности и исчезновению многих видов.
Если мелкие травоядные могли восполнять потери от преследования охотниками благодаря высокой рождаемости, то крупные животные в силу эволюционной истории были лишены этой возможности. Дополнительные трудности для травоядных возникли вследствие изменения природных условий в конце палеолита. 10-13 тыс. лет назад наступило резкое потепление, отступил ледник, леса распространились в Европе , вымерли крупные животные. Это создало новые условия жизни, разрушило сложившуюся экономическую базу человеческого общества. Закончился период его развития, характеризовавшийся только использованием пищи, т.е. чисто потребительским отношением к окружающей среде. В следующую эпоху – неолита – наряду с охотой (на лошадь, дикую овцу, благородного оленя, кабана, зубра, и т.д.), рыбной ловлей и собирательством (моллюски, орехи, ягоды, плоды) все большее значение приобретает процесс производства пищи. Делаются первые попытки одомашнивания животных и разведения растений, зарождается производство керамики. Уже 9-10 тыс. лет назад существовали поселения, среди остатков которых обнаруживают пшеницу, ячмень, чечевицу, кости домашних животных – коз, овец, свиней. В разных местах Передней и Средней Азии, Кавказа, Южной Европы развиваются зачатки земледельческого и скотоводческого хозяйства. Широко используется огонь – и для уничтожения растительности в условиях подсечного земледелия, и как средство охоты. Начинается освоение минеральных ресурсов, зарождается металлургия.
Рост населения, качественный скачок в развитии науки и техники за последние два столетия, особенно в наши дни, привели к тому, что деятельность человека стала фактором планетарного масштаба, направляющей силой дальнейшей эволюции биосферы.
В.И. Вернадский считал, что влияние научной мысли и человеческого труда обусловило переход биосферы в новое состояние – ноосферу (сферу разума).
1. Природные ресурсы и их использование.
Сейчас человек использует для своих нужд все большую часть территории планеты и все большие количества минеральных ресурсов. Биологические, в том числе пищевые, ресурсы планеты обуславливают возможности жизни человека на Земле, а минеральные и энергетические служат основой материального производства человеческого общества.
Среди природных богатств планеты различают неисчерпаемые и исчерпаемые ресурсы.
Неисчерпаемые ресурсы. Неисчерпаемые природные ресурсы подразделяются на космические, климатические и водные. Это энергия солнечной радиации, морских волн, ветра. С учетом огромной массы воздушной и водной среды планеты неисчерпаемыми считают атмосферный воздух и воду. Выделение это относительно. Например, пресную воду можно рассматривать как ресурс исчерпаемый, поскольку во многих регионах Земного шара возник острый дефицит воды. Уже идет речь о неравномерности ее распределения, и невозможности ее использования ввиду загрязнения. Условно считают и кислород атмосферы неисчерпаемым ресурсом. Современные ученые-экологи полагают, что при современном уровне технологии использования воздуха и воды эти ресурсы можно рассматривать как неисчерпаемые только при разработке и реализации крупномасштабных программ, направленных на их восстановление.
Исчерпаемые ресурсы. Они делятся на возобновляемые и невозобновляемые. К возобновляемым относятся растительный и животный мир, плодородие почв. К невозобновляемым ресурсам относятся полезные ископаемые. Их использование человеком началось в эпоху неолита. Первыми металлами, которые нашли применение, были самородное золото и медь. Добывать и плавить руды, содержащие медь, а также олово, серебро, свинец, умели уже за 4 тыс. лет до нашей эры.
В настоящее время человек вовлек в сферу своей промышленной деятельности преобладающую часть известных минеральных руд, каменного угля, нефти и газа. Научно-технический прогресс открывает все новые области применения черных и цветных металлов, различного неметаллического сырья. В результате расширяется разработка бедных руд, увеличивается добыча нефти со дна моря.
В хозяйственный оборот вовлекаются все новые территории, растет использование древесины и промысловых животных. Подвергаются обработке значительные площади суши с целью выращивания растительных продуктов питания и создания кормовой базы для животноводства.
В современных условиях значительная часть поверхности Земли распахана или представляет собой полностью или частично окультуренные пастбища для домашних животных. Развитие промышленности и сельского хозяйства потребовало больших площадей для строительства городов, промышленных предприятий, разработки полезных ископаемых, сооружения коммуникаций. Всего, таким образом, около 20 % суши к настоящему времени преобразовано деятельностью человека.
Значительные площади поверхности суши исключены из хозяйственной деятельности человека вследствие накопления на ней промышленных отходов и невозможности использования районов, где ведется разработка и добыча полезных ископаемых. На прилегающих территориях создаются карьеры, терриконы- земляные конусы, провальный воронки, возникающие на местах пустот под землей.
Из числа восполняемых природных ресурсов большую роль в жизни человека играет лес. Лес имеет немаловажное значение как географический и экологический фактор. Леса предотвращают эрозию почвы, задерживают поверхностные воды, т.е. служат влагонакопителями, способствуют поддерживанию уровня грунтовых вод. В лесах обитают животные, представляющие материальную и эстетическую ценность для человека: копытные, пушные звери и другая дичь. В нашей стране леса занимают около 760 млн. га, или 33% всей ее суши, и являются одним из основных природных богатств.
Несмотря на длительную историю культурного земледелия, дикая природа продолжает служить для человека существенным источником продуктов питания. В первую очередь это рыболовство. В разных странах мира в белковом рационе человека рыба составляет от 17 до 83 %. Из рыбы получают витамины, кормовую муку для скота, малоценные сорта рыб перерабатывают на удобрение для полей. Основная доля рыбных богатств сосредоточена в морях. Важный объект морского промысла – водные млекопитающие. Добыча китов составляет несколько десятков тысяч особей в год. Киты и ластоногие служат источником мяса, жира; некоторые виды добывают ради шкур с прочным и красивым мехом.
Значение диких растений и животных для человека не исчерпывается пищевой ценностью. Подавляющее большинство их необходимы как обязательные компоненты биоценозов (биоценоз – это целостная группа популяций с общей территорией обитания, отличающейся от других соседних территорий химическим составом почвы, воды и рядом других физических показателей: климатом, влажностью и т.д.), без них понятие “природа” просто утрачивает свое значение. Растения, например лекарственные, приносят человеку ощутимую пользу. Дикорастущие виды до сих пор являются исходным материалом для селекции. Среди диких животных есть виды, перспективные для одомашнивания.
Таким образом, человечество интенсивно потребляет как живые, так минеральные природные ресурсы. Однако такое использование окружающей среды имеет свои отрицательные последствия.
2. Последствия хозяйственной деятельности человека для окружающей среды.
В соответствии с плотностью населения меняется и степень воздействия человека на окружающую среду. Однако при современном уровне развития производительных сил деятельность человеческого общества сказывается на биосфере в целом. Человечество с его социальными законами развития и мощной техникой вполне способно влиять на вековой ход биосферных процессов.
Загрязнение воздуха. В процессе своей деятельности человек загрязняет воздушную среду. Над городами и промышленными районами в атмосфере возрастает концентрация газов, которые в сельской местности содержатся в очень небольших количествах или совсем отсутствуют. Загрязненный воздух вреден для здоровья. Кроме того, вредные газы, соединяясь с атмосферной влагой и выпадая в виде кислых дождей, ухудшает качество почвы и снижают урожай.
Основные причины загрязнения атмосферы – сжигание природного топлива и металлургическое производство. Если в XIX веке поступающие в окружающую среду продукты сгорания угля и жидкого топлива почти полностью ассимилировались растительностью Земли, то в настоящее время содержание вредных продуктов сгорания неуклонно возрастает. Из печей, топок, выхлопных труб автомобилей в воздух попадает целый ряд загрязняющих веществ. Среди них особенно выделяется сернистый ангидрид – ядовитый газ, легко растворимый в воде.
Концентрация сернистого газа в атмосфере особенно высока в окрестностях медеплавильных заводов. Он вызывает разрушение хлорофилла, недоразвитие пыльцевых зерен, засыхание опадание листьев хвои. Часть SO2 окисляется до серного ангидрида. Растворы сернистой и серной кислот, выпадая с дождями на поверхность Земли, причиняют вред живым организмам, разрушают здания. Почва приобретает кислую реакцию, из нее вымывается перегной (гумус) – органическое вещество, содержащее компоненты, необходимые для развития растений. Кроме того, в ней снижается количество солей кальция, магния, калия. В кислых почвах уменьшается и число обитающих в ней видов животных, замедлена скорость разложения опада. Все это создает неблагоприятные условия для роста растений.
Каждый год в результате сжигания топлива в атмосферу поступают миллиарды тонн CO2 . Половина диоксида углерода, образующегося при сгорании ископаемого топлива, поглощается океаном и зелеными растениями, половина остается в воздухе. Содержание CO2 в атмосфере постепенно возрастает и за последние 100 лет увеличилось более чем на 10 %. CO2 препятствует тепловому излучению в космическое пространство, создавая так называемый “парниковый эффект”. Изменение содержания CO2 в атмосфере в значительной мере влияет на климат Земли.
Промышленные предприятия и автомобили служат причиной поступления в атмосферу многих ядовитых соединений – оксид азота, оксида углерода, соединений свинца (каждый автомобиль выделяет за год 1 кг свинца), различных углеводородов – ацетилена, этилена, метана, пропана, и др. Вместе с капельками воды они образуют ядовитый туман – смог, вредно действующий на организм человека, на растительность городов. Жидкие и твердые частицы (пыль), взвешенные в воздухе, уменьшают количество солнечной радиации, достигающей поверхности Земли. Так, в больших городах солнечная радиация уменьшается на 15 %, ультрафиолетовое излучение – на 30 % (а в зимние месяцы оно может совсем исчезнуть).
Загрязнение пресных вод. Масштабы использования водных ресурсов быстро увеличиваются. Это связано с ростом населения и улучшением санитарно-гигиенических условий жизни человека, развитием промышленности и орошаемого земледелия. Суточное потребление воды на хозяйственно-бытовые нужды в сельской местности составляет 50 л на одного человека, в городах – 150 л.
Огромное количество воды используется в промышленности. На выплавку 1 т стали необходимо 200 м3 воды, а на изготовление 1 т синтетического волокна – от 2500 до 5000 м3. Промышленность поглощает 85 % всей воды, расходуемой в городах.
Еще больше воды необходимо для орошения. В течение года на 1 га поливных земель уходит 12-14 м3 воды. В нашей стране ежегодно на орошение расходуется более 150 км3 .
Постоянное увеличение водопотребления на планете ведет к опасности “водного голода”, что обусловливает необходимость разработки мероприятий по рациональному использованию водных ресурсов. Кроме высокого уровня расхода нехватка воды вызывается ее растущим загрязнением вследствие сброса в реки отходов промышленного и особенно химического производства. Бактериальное загрязнение и ядовитые химические вещества (например, фенол) приводят к омертвлению водоемов. Вредные последствия имеет также молевой сплав леса по рекам, который часто сопровождается заторами. При длительно пребывании древесины в воде она теряет деловые качества, а вымываемые из нее вещества губительно действуют на рыб.
В реки и озера поступают и вымываемые из почвы дождями минеральные удобрения – нитраты и фосфаты, которые в больших концентрациях способны резко изменять видовой состав водоемов, а также различные ядохимикаты – пестициды, используемые в сельском хозяйстве для борьбы с насекомыми-вредителями. Для аэробных организмов, обитающих в пресных водах, неблагоприятным фактором служит и сброс предприятиями теплых вод. В теплой воде кислород плохо растворяется и его дефицит может приводить многие организмы к гибели.
Загрязнение Мирового океана. Значительному загрязнению подвергаются воды морей и океанов. С речным стоком, а также от морского транспорта в моря поступают болезнетворные отходы, нефтепродукты, соли тяжелых металлов, ядовитые органические соединения, в том числе пестициды. Загрязнения морей и океанов достигает таких масштабов, что в ряде случаев выловленные рыбы и моллюски оказываются непригодными для употребления в пищу.
Антропогенные изменения в почве. Плодородный слой почвы формируется очень долго. В тоже время ежегодно вместе с урожаем из почвы изымаются десятки миллионов тонн азота, калия, фосфора – главных компонентов питания растений. Перегной, основной фактор плодородия почвы, содержится в черноземах в количестве менее 5 % от массы пахотного слоя. На бедных почвах перегноя еще меньше. При отсутствии пополнения почв соединениями азота его запас может быть израсходован за 50-100 лет. Этого не происходит, поскольку культурное земледелие предусматривает внесение в почву органических и неорганических (минеральных) удобрений.
Внесенные в почву азотные удобрения используются растениями на 40-50%. Остальная часть восстанавливается микроорганизмами до газообразных веществ, улетучивается в атмосферу или вымывается из почвы. Таким образом, минеральные азотные удобрения быстро расходуются, поэтому их приходиться вносить ежегодно. При недостаточном применении органических и неорганических удобрений почва истощается и урожаи падают. Неблагоприятные изменения в почве наступают и в результате неправильных севооборотов, т. е. ежегодного посева одних и тех же культур, например картофеля.
К числу антропогенных изменений почвы относится эрозия (разъедание). Эрозия представляет собой разрушение и снос почвенного покрова потоками воды или ветром. Широко распространена и наиболее разрушительна водная эрозия. Она возникает на склонах и развивается при неправильной обработке земли. Вместе с талыми и дождевыми водами с полей ежегодно уносится в реки и моря миллионы тонн почвы. Если размыву ничто не препятствует, мелкие промоины превращаются в более глубокие и, наконец, в овраги.
Ветровая эрозия возникает в районах с сухой обнаженной почвой, с изреженным растительным покровом. Чрезмерный выпас скота в степях и полупустынях способствует ветровой эрозии и быстрому разрушению травяного покрова. Для восстановления слоя почвы толщиной 1 см в естественных условиях требуется 250-300 лет. Следовательно, пыльные бури приносят невосполнимые потери плодородного слоя почвы.
Значительные территории со сформированными почвами изымаются из сельскохозяйственного оборота вследствие открытого способа разработки полезных ископаемых, залегающих на небольшой глубине. Открытый способ добычи дешев, так как избавляет от сооружения дорогостоящих шахт и сложной системы коммуникаций, а также является более безопасным. Вырытые глубокие карьеры и отвалы грунта разрушают не только земли, подлежащие разработке, но и окружающие территории, при этом нарушается гидрологический режим местности, загрязняются воды, почва и атмосфера, снижается урожай сельскохозяйственных культур.
Влияние человека на растительный и животный мир. Воздействия человека на живую природу складывается из прямого влияния и косвенного изменения природной среды. Одна из форм прямого воздействия на растения и животных – рубка леса. Выборочные и санитарные рубки, регулирующие состав и качество леса и необходимые для удаления поврежденных и больных деревьев, существенно не влияют на видовой состав лесных биоценозов. Другое дело – сплошная вырубка древостоя. Оказавшись внезапно в условиях открытого местообитания, растения нижних ярусов леса испытывают неблагоприятное влияние прямого солнечного излучения. У тенелюбивых растений травянистого и кустарничкового ярусов разрушается хлорофилл, угнетается рост, некоторые виды исчезают. На месте вырубок поселяются светолюбивые растения, устойчивые к повышенной температуре и недостатку влаги. Меняется и животный мир: виды, связанные с древостоем, исчезают или мигрируют в другие места.
Ощутимое воздействие на состояние растительного покрова оказывает массовое посещение лесов отдыхающими и туристами. В этих случаях вредное влияние заключается в вытаптывании, уплотнения почвы и ее загрязнении. Прямое влияние человека на животный мир заключается в истреблении видов, представляющих для него пищевую или другую материальную пользу. Считается, что с 1600 г. человеком было истреблено более 160 видов и подвидов птиц и не менее 100 видов млекопитающих. В длинном списке исчезнувших видов значится тур – дикий бык, живший на территории всей Европы. В XVIII в. была истреблена описанная русским натуралистом Г.В. Стеллером морская корова (стеллерова корова) – водное млекопитающее, относящееся к отряду сиреновых. Немногим более ста лет назад исчезла дикая лошадь тарпан, обитавшая на юге России. Многие виды животных находятся на грани вымирания или сохранились только в заповедниках. Такова судьба бизонов, десятками миллионов населявших прерии Северной Америки, и зубров, прежде широко распространенных в лесах Европы. На Дальнем Востоке почти полностью истреблен пятнистый олень. Усиленный промысел китообразных привел на грань уничтожения несколько видов китов: серого, гренландского, голубого.
На численность животных оказывает влияние и хозяйственная деятельность человека, не связанная с промыслом. Резко снизилась численность уссурийского тигра. Это произошло в результате освоения территорий в пределах его ареала и сокращения кормовой базы. В Тихом океане ежегодно погибает несколько десятков тысяч дельфинов: в период лова рыбы они попадают в сети и не могут из них выбраться. Еще недавно, до принятия рыбаками специальных мер, число погибающих в сетях дельфинов достигало сотен тысяч. Для морских млекопитающих очень неблагоприятно влияние загрязнения воды. В таких случаях оказывается неэффективным запрет на отлов животных. Например, после запрета отлова дельфинов в Черном море их численность не восстанавливается. Причина заключается в том, что в Черное море с речной водой и через проливы из Средиземного моря поступает много ядовитых веществ. Эти вещества особенно вредны для детенышей дельфинов, высокая смертность которых предотвращает рост поголовья этих китообразных.
Исчезновение сравнительно небольшого числа видов животных и растений может показаться не очень существенным. Каждый вид занимает определенное место в биоценозе, в цепи и заменить его не может никто. Исчезновение того или иного вида ведет к уменьшению устойчивости биоценозов. Еще важнее то, что каждый вид обладает уникальными, присущими только ему свойствами. Утрата генов, определяющих эти свойства и отобранных в ходе длительной эволюции, лишает человека возможности в будущем воспользоваться ими для своих практических целей (например, для селекции).
Радиоактивное загрязнение биосферы. Проблема радиоактивного загрязнения возникла в 1945 г. после взрыва атомных бомб, сброшенных на японские города Хиросиму и Нагасаки. Испытания ядерного оружия, производимые до 1963 г. в атмосфере, вызывали глобальное радиоактивное загрязнение. При взрыве атомных бомб возникает очень сильное ионизирующее излучение, радиоактивные частицы рассеиваются на большие расстояния, заражая почву, водоемы, живые организмы. Многие радиоактивные изотопы имеют длительный период полураспада, оставаясь опасными в течение всего времени своего существования. Все эти изотопы включаются в круговорот веществ, попадают в живые организмы и оказывают губительное действие на клетки.
У испытаний ядерного оружия (а тем более при использовании этого оружия в военных целях) есть еще одна отрицательная сторона. При ядерном взрыве образуется громадное количество мелкой пыли, которая держится в атмосфере и поглощает значительную часть солнечной радиации. Расчеты ученых различных стран мира показывают, что даже при ограниченном, локальном применении ядерного оружия образовавшаяся пыль будет задерживать большую часть солнечного излучения. Наступит длительное похолодание (“ядерная зима”), которое неизбежно приведет к гибели всего живого на Земле.
В настоящее время практически любая территория планеты от Арктики до Антарктиды подвержена многообразным антропогенным влияниям. Очень серьезный характер приобрели последствия разрушения природных биоценозов и загрязнения окружающей среды. Вся биосфера находится под все усиливающимся давлением деятельности человека, поэтому актуальной задачей становятся природоохранительные мероприятия.
Кислые атмосферные выпады на сушу. Одна из острейших глобальных проблем современности и обозримого будущего – это проблема возрастающей кислотности атмосферных осадков и почвенного покрова. Районы кислых почв не знают засух, но их естественное плодородие понижено и неустойчиво; они быстро истощаются и урожаи на них низкие. Кислотные дожди вызывают не только подкисление поверхностных вод и верхних горизонтов почв. Кислотность с нисходящими потоками воды распространяется на весь почвенный профиль и вызывает значительное подкисление грунтовых вод. Кислотные дожди возникают в результате хозяйственной деятельности человека, сопровождающейся эмиссией колоссальных количеств окислов серы, азота, углерода. Эти окислы, поступая в атмосферу, переносятся на большие расстояния, взаимодействуют с водой и превращаются в растворы смеси сернистой, серной, азотистой, азотной и угольной кислот, которые выпадают в виде “кислых дождей” на сушу, взаимодействуя с растениями, почвами, водами. Главными источниками в атмосфере является сжигание сланцев, нефти, углей, газа в индустрии, в сельском хозяйстве, в быту. Хозяйственная деятельность человека почти вдвое увеличила поступление в атмосферу окислов серы, азота, сероводорода и оксида углерода. Естественно, что это сказалось на повышении кислотности атмосферных осадков, наземных и грунтовых вод. Для решения этой проблемы необходимо увеличить объём систематических представительных измерений соединений загрязняющих атмосферу веществ на больших территориях.
3. Охрана природы и перспективы рационального природопользования.
В наши дни потребительское отношение к природе, расходование ее ресурсов без осуществления мер по их восстановлению уходят в прошлое. Проблема рационального использования природных ресурсов, охрана природы от губительных последствий хозяйственной деятельности человека приобрели огромное государственное значение. Общество в интересах настоящих и будущих поколений принимает необходимые меры для охраны и научно обоснованного, рационального использования земли и ее недр, водных ресурсов, растительного и животного мира, для сохранения в чистоте воздуха и воды, обеспечения воспроизводства природных богатств и улучшения окружающей среды человека. Охрана природы и рациональное природопользование – проблема комплексная, и ее решение зависит как от последовательного осуществления государственных мероприятий, так и от расширения научных знаний.
Для вредных веществ в атмосфере законодательно установлены предельно допустимые концентрации, не вызывающие у человека ощутимых последствий. С целью предотвращения загрязнения атмосферы разработаны мероприятия, обеспечивающие правильное сжигание топлива, переход на газифицированное теплоцентральное отопление, установку на промышленных предприятиях очистных сооружений. На алюминиевых заводах установка фильтров на трубах предотвращает выброс фтор в атмосферу.
Помимо строительства очистных сооружений ведутся поиски технологии, при которой образование отходов было бы сведено к минимуму. Этой же цели служат улучшение конструкции автомобилей, переход на другие виды топлива, при сжигании которого образуется меньше вредных веществ. Разрабатываются автомобили с электрическим двигателем для передвижения в пределах города. Большое значение имеют правильная планировка городов и зеленые наслаждения. Например, сернистый газ хорошо поглощается тополем, липой, кленом, конским каштаном.
Бытовые и промышленные сточные воды подвергаются механической, физико-химической и биологической обработке. Биологическая очистка заключается в разрушении растворенных органических веществ микроорганизмами.
Очистка сточных вод не решает всех проблем. Поэтому все больше предприятий переходит на новую технологию – замкнутый цикл, при котором очищенная вода вновь поступает в производство. Новые технологические процессы позволяют в десятки раз сократить расход воды.
Для повышения продуктивности сельского хозяйства громадное значение имеют правильная агротехника и осуществление специальных мероприятий по охране почвы. Например, борьба с оврагами успешно ведется путем посадки растений – деревьев, кустарников, трав. Растения защищают почвы от смыва и уменьшают скорость течения воды. Разнообразие посадок и посевов по оврагу способствует образованию стойких биоценозов. В зарослях поселяются птицы, что имеет немаловажное значение для борьбы с вредителями. Защитные лесонасаждения в степях препятствуют водной и ветровой эрозии полей.
Развитие биологических методов борьбы с вредителями позволяет резко сократить использование в сельском хозяйстве пестицидов.
В настоящее время в охране нуждаются 2000 видов растений, 236 видов млекопитающих, 287 видов птиц. Международным союзом охраны природы учреждена специальная Красная книга, в которой сообщаются сведения об исчезающих видах и даются рекомендации по их сохранению. Многие виды животных, находящихся под угрозой исчезновения, сейчас восстановили свою численность. Это относится к лосю, сайгаку, белой цапле, гаге.
Сохранения животного и растительного мира способствует организации заповедников и заказников. Помимо охраны редких и исчезающих видов служат базой для одомашнивания диких животных, обладающих ценными хозяйственными свойствами. Заповедники служат также центрами по расселению животных, исчезнувших в данной местности, или целям обогащения местной фауны. В России хорошо прижилась североамериканская ондатра, дающая ценный мех. В суровых условиях Арктики успешно размножается овцебык, завезенный из Канады и Аляски. Восстановлена численность бобров, почти исчезнувших в нашей стране в начале века.
Подобные примеры показывают, что бережное отношение, основанное на глубоких знаниях биологии растений и животных, не только сохраняет ее, но и дает значительный экономический эффект.
Заключение.
Человечество в своем стремлении к улучшению условий существования постоянно наращивает темпы материального производства, не задумываясь о последствиях. Например, современный человек увеличил объем привычных для природы загрязнений настолько, что она не успевает их перерабатывать. Мало того, он стал вырабатывать такие загрязнения, для переработки которых в природе пока нет соответствующих видов, а для некоторых загрязнений, к примеру радиоактивных, их никогда и не появится. Поэтому “отказ” биосферы перерабатывать плоды человеческой деятельности неизбежно будет действовать как все более нарастающий ультимативный фактор в отношении человека. Поэтому будущее человека как биологического вида предсказуемо: экологический кризис и снижение численности.

Список литературы:
1. Общая биология. Справочные материалы. М. , Дрофа, 1995.
2. Общая биология. Учебник для средних специальных учебных заведений. С.Г. Мамонтов, В.Б. Захаров, М., Высшая школа 2000 г.

Глобальное потепление и Арктика

Одно из наиболее значимых воздействий на биосферу и ее подсистемы, связанные с антропогенной активностью, — глобальное потепление. Оно проявляется в изменении климата и биоты: изменении продукционного процесса в экосистемах, сдвиге границ растительных формаций, изменении урожайности сельскохозяйственных культур. Особое значение эти воздействия имеют для высоких и средних широт Cеверного полушария. Эти регионы оказываются одними из главных источников и одновременно объектов подобных воздействий. Здесь глобальное потепление проявится особенно сильно: по расчетам, температура атмосферы наиболее значительно повысится именно в высоких и средних широтах. Кроме того, природа высоких широт особенно восприимчива к различным воздействиям и крайне медленно восстанавливается. С другой стороны, процессы в Арктике могут оказать заметное влияние на глобальные изменения. Это, например, динамика и оптические свойства снега и льда, участие вечной мерзлоты в биогеохимических циклах и т.д. Оценка роли Арктики в формировании глобальных изменений должна учитывать взаимодействия следующих факторов: биота и глобальный цикл диоксида углерода, гидрологический режим, вечная мерзлота, снежный покров и ледники, прибрежные процессы, циркуляция океана и структура донных вод, динамика, тепловой баланс и состав атмосферы, солнечные и геомагнитные воздействия. Все это свидетельствует о важности математического моделирования климата и крупномасштабных процессов в экосистемах высоких и средних широт Северного полушария. Мы попытаемся рассказать о моделировании природных процессов, основанном на разработке и модификации системы различных математических моделей.
МОДЕЛИРОВАНИЕ ИЗМЕНЕНИЙ КЛИМАТА
В последние десятилетия созданы различные модели, с помощью которых можно оценить влияние на климат изменений состава атмосферы. Это способствовало пониманию механизмов предстоящих изменений климата. Для расчетов в таких моделях необходимо вычислять перенос солнечного и теплового (длинноволнового) излучения в атмосфере при различных соотношениях ее компонентов.
Наряду с этим требуется описать обмен энергией между радиационно-активной турбулентной атмосферой и неоднородными поверхностями суши, океана и криосферы. Система взаимодействующих элементов очень сложна, и до сих пор не существует моделей, которые могли бы полностью учесть всю совокупность естественных процессов переноса в атмосфере и у поверхности Земли. Существуют относительно простые и более сложные модели. Самыми сложными оказываются климатические модели, учитывающие общую циркуляцию атмосферы и океана. Кроме того, нужны модели, отражающие эволюцию морского льда и различные процессы на суше (образование и изменение снежного покрова, содержание влаги в почве и ее испарение растительностью).
Модель климата, разработанная в Вычислительном центре РАН, включает блок, описывающий процессы в атмосфере с пространственным разрешением 4х5°, и океанский блок, представляющий собой интегральную модель деятельного слоя океана с заданным распределением течений. Moдель удовлетворительно описывает основные сезонные и географические характеристики глобального климата.
В этой модели рассчитаны, в частности, распределения по высоте изменений температуры воздуха у поверхности Земли при удвоении содержания СО2 в атмосфере. Максимальное потепление составит 4°С, сильнее скажется над материками, а наиболее сильно проявится зимой в Азии. Это связано с неизбежным сдвигом границы снежного покрова к северу. Изменение количества осадков имеет “пятнистую” структуру. Увеличение количества осадков обусловлено более интенсивным испарением с поверхности океана и последующим выпадением на суше. Однако существуют области, где осадков станет меньше.
ЭКОСИСТЕМЫ ХВОЙНЫХ ЛЕСОВ
Отмечаемые ныне и прогнозируемые на ближайшие десятилетия повышение содержания СО2 в атмосфере и потепление ведут к серьезным изменениям в таежных и тундровых экосистемах Арктики и Субарктики: изменению продуктивности, смене видового состава, сдвигу границы между лесом и тундрой. Авторы предприняли попытку с помощью модели оценить, как повлияют изменения климата на продукционный процесс в лесной экосистеме и насколько сдвинутся северная и южная границы лесных экосистем умеренной зоны Северного полушария.
Модель продукционного процесса экосистем хвойного леса описывает динамику углерода и воды, а также основные биотические и абиотические факторы в них. В модели учтены следующие процессы, протекающие в растениях: фотосинтез, дыхание, рост и отмирание органов, распределение усваиваемых питательных веществ между органами. Модель учитывает динамику влажности почвы и потока воды по ее профилю, интенсивность осадков и испарения, гидродинамическое сопротивление и водный потенциал почвы, действие гравитации на транспорт воды. После проверки модели по результатам наблюдений над ельниками в южной тайге на Валдае и другими участками в хвойно-широколиственных лесах и северной тайге ее использовали для описания глобальных процессов в высоких и средних широтах Северного полушария.
В частности, оценивалось влияние возможных изменений климата на продукционный процесс экосистем еловых лесов в различных климатических зонах (на разных широтах и меридианах). Было получено распределение изменений годовой продукции и испарения воды в экосистемах при условии, что температура воздуха в течение вегетационного периода выше на 1°С. Оказалось, что продукция еловых лесов увеличивается севернее 60° (с широтой все больше — у 66° рост достигает 3%) и уменьшается южнее этой широты. С ростом количества осадков продуктивность экосистем повышается, причем к югу — все сильнее. Так, увеличение количества осадков на 6% на широте 62° влечет за собой рост продуктивности на 0,1%, а на широте 58° – 3,4%.
СДВИГ ПРИРОДНЫХ ЗОН
Различные изменения в экосистемах в результате изменения климата оценивались не раз. Здесь мы обсудим сдвиг границ системы природных зон “тайга — тундра”. В используемой модели заложены разделяемые большинством специалистов представления о том, что в постоянных климатических условиях экосистема в своем развитии неизбежно приходит к устойчивому состоянию — климаксу. Иными словами, при постоянных условиях в данном месте экосистема пребывает в единственно возможном устойчивом положении равновесия, например “тундра” или “тайга”.
Предположим, содержание диоксида углерода в атмосфере вдвое выше современного. Чтобы проследить за перемещением северной границы леса, разобьем ее на участки в широтном направлении, на каждом из которых положение границы определяют температура, рельеф, речной сток и вечная мерзлота (перечень факторов заимствован из публикаций и экспертных оценок). Результаты модельных расчетов свидетельствуют, что зона тайги сдвинется к северу преимущественно на 100–200 км. Кое-где этот сдвиг будет гораздо меньше или его не будет вовсе.
ВЛИЯНИЕ ГЛОБАЛЬНОГО ПОТЕПЛЕНИЯ НА АРКТИЧЕСКИЙ БАССЕЙН
Арктический бассейн — весьма специфический объект для математического моделирования общей циркуляции из-за ряда важных отличий от остальной части Мирового океана. Во-первых, он почти повсеместно и постоянно покрыт льдом. При этом потоки тепла, влаги и импульса из атмосферы в океан в значительной мере определяются состоянием морского льда: его толщиной, сплоченностью и т.д. Во-вторых, распределение плотности воды в Северном Ледовитом океане обусловлено распределением ее солености, а не температуры, как в других океанах. В-третьих, значительная доля океана приходится на мелководные окраинные моря, а дно его глубоководной части изрезано высокими подводными хребтами. В Вычислительном центре РАН была разработана многослойная гибридная модель общей циркуляции океана. Вычисления выполнялись в точках, расположенных в узлах сетки с шагом 2° по широте, т.е. около 220 км. По вертикали толща воды в океане делилась на 6 слоев. Соленость соседних слоев различалась примерно на 0,8%. Рельеф дна задавался в самом общем виде, однако сохранял все основные особенности природного. Учитывались стоки основных рек, впадающих в океан. Дополнительный береговой сток распределялся равномерно по всей границе области.
Результаты расчетов позволили выявить реакцию океана на парниковый эффект. Средневзвешенное по всей глубине океана потепление составило около 1,5°С, что меньше, чем в целом по Северному полушарию. Это вызвано тем, что верхний слой океана оказался сильно распресненным из-за таяния льда и увеличения речного стока. Более теплая, пресная и, стало быть, менее плотная вода, скапливаясь в верхнем слое, препятствует проникновению тепла в нижние слои. Таяние морского льда из-за потепления оказалось столь сильным, что его площадь в летние месяцы уменьшилась бы на 80%. Нарушение вертикальной конвекции океанских вод (наибольшее потепление в верхнем слое) вызывает перестройку всей циркуляции океана. В частности, увеличиваются скорости дрейфовых течений, что наряду с уменьшением толщины льда ведет к росту торосистости. Такие изменения климатического режима неизбежно будут иметь последствия не только непосредственно в акватории, но и в прибрежных областях. Так, подъем уровня океана за счет потепления составит от 0,1 до 0,2 м, что может привести к затоплению устьев крупных рек, особенно в Сибири.
В целом можно сказать, что климат Арктического бассейна станет более теплым и влажным, резко усилятся штормовые ветры, а в самом океане сократится площадь льдов, летом почти до нуля.
ИЗМЕНЕНИЕ ПРОДУКТИВНОСТИ И СДВИГ ЗОНЫ ЛЕСОВ
Чтобы оценить влияние увеличения концентрации СО2 и потепления на климат, экосистемы и урожайность, мы выполнили численные расчеты на климатической модели. Модели, описывающие динамику экосистем, и экспертные оценки позволили определить смещение границ лесов при соответствующем изменении климата. Это ведет к изменению альбедо (отражающей способности) и влажности земной поверхности, что, в свою очередь, повлияет на глобальный климат. Конечно, заметное смещение растительных зон произойдет только через 100–200 лет, однако указанный эффект может проявляться как тенденция изменения климата. Основные изменения состоят в смещении зоны лесов на север. Естественно, что это больше всего скажется на климате полярных и приполярных областей.
Численные эксперименты проводились на климатической модели Вычислительного центра РАН. В качестве граничных условий задавались новые значения альбедо в тех областях, где лес замещается другими растительными сообществами. Результаты расчетов предвещают заметное похолодание (на 1–2°С)
в северных регионах Европы и Азии из-за ослабления нагрева земной поверхности вследствие увеличения альбедо. Таким образом, сдвиг природных зон частично компенсирует общее потепление, вызванное парниковым эффектом в Европе и Северной Азии.
Итак, результаты расчетов предсказывают значительные изменения климата и биотических процессов в Арктике, а также перестройку общей циркуляции в Северном Ледовитом океане за счет парникового эффекта. Эти изменения будут иметь экономические и экологические последствия планетарного масштаба и должны вызвать адекватную реакцию человечества. Это тем более важно в свете возрастающей роли севера России как сырьевой базы (нефть, природный газ, цветные металлы, древесина) и важнейшей транспортной магистрали. Освобождение поверхности Северного Ледовитого океана от льда позволит превратить его в важнейшую круглогодичную транспортную артерию, однако увеличение влажности, усиление туманов и штормов потребует больших вложений в обеспечение безопасности морского и воздушного транспорта. Затопление устьев рек повлияет на планы размещения промышленных и жилых зон, а также транспортных терминалов. Изменение продуктивности и видового состава тундровых и таежных экосистем скажется на биоте всего региона, поэтому необходимо развернуть работы по сохранению уникальной природы Арктического бассейна. Для анализа возможной ситуации и определения адекватных превентивных мер, способных предотвратить (а если надо, то и использовать) последствия парникового эффекта в данном регионе, необходимо дальнейшее развитие и совершенствование математических моделей и методов, насыщение их новыми натурными данными.

Список использованной литературы:
Журнал “Экология и жизнь”. Статья А.А. Мочалова, В.П. Пархоменко, А.М. Тарко

Leave a Comment