Антропогенные процессы в атмосфере

Изменение состава воздуха связано с хозяйственной деятельностью человека, в результате которой все более нарушается природное соотношение кислорода и углекислого газа.

Природное содержание кислорода в приземном слое атмосферы постепенно сокращается из-за:

- сжигания топлива, на что потребляется 15,8 млрд т кислорода);

- авиации, особенно реактивной;

- автотранспорта;

- вырубки лесов;

- производственных процессов (имеются в виду металлургические, химические и другие технологические процессы, потребляющие кислород);

- процессов окисления (металлов, органических остатков при разложении и др.).

Ежегодная антропогенная убыль кислорода в приземном воздухе оценивается в 10...31,5 млрд т, а содержание кислорода в воздухе крупных промышленных центров снижается до 19 %, содержание же кислорода в воздухе, пригодном для дыхания человека, должно быть не менее 17 %. Люди расходуют кислорода на 15...20 % больше, чем его вырабатывают растения планеты.

Выделение углекислого газа в атмосферу увеличивается из-за:

- сжигания топлива (на предприятиях, транспортом и в котельных);

- лесных пожаров;

- сокращения лесопокрытых площадей и ряда других причин.

В результате роста концентрации в атмосфере наблюдается усиление парникового эффекта.

4. Антропогенные изменения атмосферы

В настоящее время имеется множество различных источников антропогенного характера, вызывающих загрязнение атмосферы и приводящих к серьезным нарушениям экологического равновесия. По своим масштабам наибольшее воздействие на атмосферу оказывают два источника: транспорт и промышленность. В среднем на долю транспорта приходится около 60 % общего количества атмосферных загрязнений, промышленности — 15%, тепловой энергетики — 15%, технологий уничтожения бытовых и промышленных отходов — 10 %.

Транспорт в зависимости от используемого топлива и типов окислителей выбрасывает в атмосферу оксиды азота, серы, оксиды и диоксиды углерода, свинца и его соединений, сажу, бензо-пирен (вещество из группы полициклических ароматических углеводородов, которое является сильным канцерогеном, вызывающим рак кожи).

Промышленность выбрасывает в атмосферу сернистый газ, оксиды и диоксиды углерода, углеводороды, аммиак, сероводород, серную кислоту, фенол, хлор, фтор и другие соединения и химические элементы. Но главенствующее положение среди выбросов (до 85 %) занимает пыль.

В результате загрязнения меняется прозрачность атмосферы, в ней возникают аэрозоли, смог и кислотные дожди.

Аэрозоли представляют собой дисперсные системы, состоящие из частиц твердого тела или капель жидкости, находящихся во взвешенном состоянии в газовой среде. Размер частиц дисперсной фазы обычно составляет 10^-3—10^-7 см. В зависимости от состава дисперсной фазы аэрозоли подразделяют на две группы. К одной относят аэрозоли, состоящие из твердых частиц, диспергированных в газообразной среде, ко второй — аэрозоли, являющиеся смесью газообразных и жидких фаз. Первые называют дымами, а вторые — туманами.

В процессе их образования большую роль играют центры конденсации. В качестве ядер конденсации выступают вулканический пепел, космическая пыль, продукты промышленных выбросов, различные бактерии и др. Число возможных источников ядер концентрации непрерывно растет.

Антропогенные факторы образования аэрозолей сдвинули это равновесие круговоротов веществ в сторону значительных биосферных перегрузок. Особенно сильно эта особенность проявляется с тех пор, как человечество стало использовать специально создаваемые аэрозоли как в виде отравляющих веществ, так и для защиты растений.

Наиболее опасными для растительного покрова являются аэрозоли сернистого газа, фтористого водорода и азота. При соприкосновении с влажной поверхностью листа они образуют кислоты, губительно воздействующие на живые ткани. Кислотные туманы попадают вместе с вдыхаемым воздухом в дыхательные органы животных и человека, агрессивно воздействуют на слизистые оболочки.

Во время ядерных взрывов в атмосфере образуются радиоактивные аэрозольные облака. Мелкие частицы радиусом 1 — 10 мкм попадают не только в верхние слои тропосферы, но и в стратосферу, в которой они способны находиться длительное время. Аэрозольные облака образуются также во время работы реакторов промышленных установок, производящих ядерное топливо, а также в результате аварий на АЭС.

Смог представляет собой смесь аэрозолей с жидкой и твердой дисперсными фазами, которые образуют туманную завесу над промышленными районами и крупными городами.

Различают три вида смога: ледяной, влажный и сухой. Ледяной смог - сочетание газообразных загрязнителей с добавлением пылеватых частиц и кристалликов льда, которые возникают при замерзании капель тумана и пара отопительных систем.

Влажный смог, или смог лондонского типа, иногда называется зимним. Он представляет собой смесь газообразных загрязнителей (в основном сернистого ангидрита), пылеватых частиц и капель тумана. Метеорологической предпосылкой для появления зимнего смога является безветренная погода, при которой слой теплого воздуха располагается над приземным слоем холодного воздуха (ниже 700 м). При этом отсутствует не только горизонтальный, но и вертикальный обмен. Загрязняющие вещества, обычно рассеивающиеся в высоких слоях, в данном случае накапливаются в приземном слое.

Сухой смог возникает в летнее время. Он представляет собой смесь озона, угарного газа, оксидов азота и паров кислот. Образуется такой смог в результате разложения загрязняющих веществ солнечной радиацией, особенно ультрафиолетовой ее частью. Метеорологической предпосылкой является атмосферная инверсия, выражающаяся в появлении слоя холодного воздуха над теплым.

Обычно поднимаемые теплыми потоками воздуха газы и твердые частицы рассеиваются в верхних холодных слоях, но в данном случае накапливаются в инверсионном слое. В процессе фотолиза диоксиды азота, образованные при сгорании топлива в двигателях автомобилей, распадаются, затем происходит синтез озона:

Процессы фотодиссоциации сопровождаются желто-зеленым свечением. Кроме того, образуется сильная серная кислота.С изменением метеорологических условий холодный воздух рассеивается и смог исчезает.

4. Антропогенные изменения гидросферы

Весь объем гидросферы составляет около 1 386 млн км. Основная масса воды сосредоточена в Мировом океане -1 338 млн км3 (96,5 %). Объем пресных вод на Земле оценивается величиной около 35 млн км. Большая доля приходится на ледники и постоянно залегающий снежный покров — 24 млн км (69,5 %). Подземные воды составляют 3 млн км3. Почвенная влага в отличие от подземных вод сильно колеблется в зависимости от сезона года, погоды. Она практически вся содержится в верхнем двухметровом слое, и ее общие запасы составляют 16500 км3.

Водные ресурсы распределяются по земному шару неравномерно. В России водообеспеченность на 1 км2 территории колеблется от 125 тыс. м3 в Центрально-земном районе до 576,5 — в Волго-Вятском, а на одного жителя от 2,7 тыс. м3 в Центральночерноземном до 90,6 — в Северном.

Человечество может использовать для своих нужд только около 37-45 тыс. км3 ежегодно, т.е. ту часть общего круговорота воды, которая приходится на речной сток и соответственно возобновляется.

Кроме того, используется около 13 тыс.км подземных вод. Современное водопотребление в мире составляет 2 600- 3 320 км3 в год

Основным потребителем воды является сельское хозяйство. Oднако, наметилась тенденция к снижению его доли в водопотреблении: в начале века на сельское хозяйство приходилось 88 % суммарного водопотребления, сейчас — 58%.

Промышленностью ежегодно потребляется более 600 км3 пpесной воды. Возросшее, водопотребление за последние десятилетия связано с развитием водоемких отраслей — теплоэнергетики, нефтехимической, целлюлозно-бумажной, на нужды которых расходуется 80 — 90 % всех промышленных водозаборов.

Загрязнение поверхностных вод суши. Основными загрязнителями поверхностных вод являются сточные воды, подразделяющиеся по происхождению на три основных вида: производственные, сельскохозяйственные и коммунально-бытовые. Ежегодно в реки сбрасывается около 160 км промышленных стоков, которые загрязняют 2 000 км естественной чистой воды. Но если учесть, что не все сточные воды очищаются перед их сбросом в реки, то речной сток загрязняется в еще большей степени — не менее чем до 4 000 км3 в год, что составляет более 10 % стока всех рек мера к примерно 25 % стока рек районов, экономически наиболее развитых [31].

Основную угрозу нехватки воды порождает не безвозвратное промышленное потребление, а загрязнение природных вод промышленными стоками.

Состав производственных стоков зависит от рода промышленных предприятий, типа оборудования, используемого сырья, технологии производства, степени очистки вод и ряда других причин.

Со сточными водами в естественные водоемы попадает огромное количество тяжелых металлов, наиболее опасных для живых организмов. В результате хозяйственной деятельности человека ежегодно со сточными водами включаются в реки 720 тыс. т цинка, 110 тыс. т свинца, 2,5 тыс. т ртути [6].

Испытания ядерного оружия, строительство атомных электростанций приводят к значительному загрязнению вод радиоактивными элементами. Загрязнение проявляется в сильном воздействии на гидробионты и на человека через трофическую цепь даже при крайне малых концентрациях. К тому же радиоактивное заражение отрицательно сказывается на способности водоемов к самоочищению из-за угнетения сапрофитной микрофлоры.

ТЭС и АЭС сбрасывают в окружающие водоемы большое количество перегретой воды. Возникает термальное загрязнение рек, представляющее большую опасность для водных биоценозов.

В нашей стране в средствах массовой информации постоянно появляются сообщения об авариях на промышленных предприятиях, сопровождающихся выбросом загрязнителей в реки и наносящих огромный ущерб водным объектам.

Загрязнение подземных вод. Источники загрязнения подземных вод — сточные воды различных отраслей промышленности, сельского хозяйства, коммунально- и радиоактивные стоки, возникающие после ядерных взрывов, аварий на атомных электростанциях. Загрязнение подземных вод связано с загрязнением природной среды в целом: почв и растительности, поверхностных вод, атмосферы и атмосферных осадков. От загрязнения подземные воды предохраняют поверхностные слои горных пород, которые фильтруют загрязненные воды и концетрируют в себе отдельные химические элементы. Но иногда человек преднамеренно закачивает загрязнители и неочищенные воды земной коры: при захоронении не подлежащих очистке промышленных ядовитых отходов и отстоев бытовых сточных вол, в процессе нефтедобычи в целях поддержания внутреннего давления. Естественно, попавшие в глубинные подземные загрязнители за счет миграции рассеиваются и переносятся на большие расстояния. Очистка же подземных вод — процесс более трудоемкий, чем поверхностных.

Интенсивный забор воды из подземных источников способствует образованию обширных воронок осушения в районах крупных городов.

Загрязнение и истощение подземных вод недопустимо, потому что нарушает естественные миграции растворенных в водах твердых и газообразных веществ, функции которых в эволюции географической оболочки науке еще мало известны. Современной гидрогеологии известны десятки природных процессов, в которых принимают участие подземные воды, это молекулярная диффузия, фильтрация, гидролиз, выщелачивание, растворение и кристаллизация, ионный обмен, окислительно-восстановительные и биогеохимические реакции, радиоактивный распад, гидратация и дегидратация минералов, подземное испарение и вымораживание и др. И неизвестно, как повлияет на общее развитие географической оболочки нарушение человеком какого-либо из перечисленных процессов.

Загрязнение Мирового океана. Мировой океан занимает более 70 % поверхности Земли и играет важную роль в развитии и функционировании географической оболочки, регулирует климатические процессы на Земле.

Ежегодно только в результате естественных процессов в океан поступает порядка 25 млн т железа, по 300 — 400 тыс. т марганца, меди и цинка, по 180 тыс. т свинца и фосфора, 3 тыс. т Практически поступление этих элементов значительно возрастает, стимулируемое антропогенной деятельностью.

Особую тревогу вызывает загрязнение океана и нефтепродуктами.
Количество ежегодно поступающих в и океан нефти и нефтепродуктов, по различным источникам оценивается в 5 — 10 млн т, и самое главное, в связи с увеличением общей добычи нефти в мире увеличивается и ее поступление в океан.

Основная масса нефти поступает в океан при аварии и сливе балластных вод, разработке нефти и газа на шельфах, в частности, только за последние 5—6 лет произошли крупнейшие выбросы нефти в океан: во время войны адском заливе Ираном были вылиты сотни тысяч тонн нефти, что поставило на грань экологической катастрофы все прибрежные государства.

Большие опасения вызывает радиоактивное загрязнение океанов в результате захоронения в них радиоактивных отходов и аварий на атомных судах. В 1972 г. в Лондоне была подписана, конвенция по предотвращению загрязнения морей и океанов сбросами, в том числе и радиоактивными. Несмотря на это соглашение, вплоть до 1983 г. Великобритания, Швейцария, Бельгия и Нидерланды регулярно проводили захоронение отходов низкой концентрации в северо-восточной части Атлантики, в международных водах у берегов Испании.

Наибольшему загрязнению подвергаются прибрежные и шельфовые области, межматериковые и внутриматериковые моря, куда основная масса загрязнителей выносится речной сетью; способствует загрязнению также размещение в прибрежных районах промышленных предприятий, а на низменностях — земледельческих угодий.

Сооружение водохранилищ в аридных областях позволяет до некоторой степени компенсировать недостаток запасов пресных вод, получить резерв воды для орошения значительных площадей земельных угодий, для промышленных и бытовых нужд, несколько увлажнить и смягчить климат прилегающего района. Однако, давая некоторый экономический эффект, водохранилища вызывают также ряд отрицательных, часто незапрограммированных и неучтенных последствий в воздействии на окружающую среду.

Воздействие водохранилищ на окружающую среду разнообразно. При изучении антропогенного воздействия на литосферу Уже отмечался рост случаев спровоцированных водохранилищами землетрясений.

При строительстве водохранилищ резко уменьшается проточность, турбулентность воды, сокращается водообмен, создаются условия для возникновения застойных зон. Затопленные плодородные почвы и растительность обогащают воду большим количеством питательных элементов. Это приводит к изменению гидрохимического состава воды, к созданию благоприятных условий для развития болезнетворных бактерий и водорослей в водоемах.

Общая площадь созданных человеком на Земле водохранилищ оценивается приблизительно в 500 тыс. км², а полный объем их вод свыше 6000 км³; что же касается естественных озер то их площадь составляет 2682 тыс. км² при объеме вод около 250 000 км³. Скорость антропогенного осадконакопления в искусственных водохранилищах в связи с замедленной проточностью вод многократно превысила скорость подобного процесса протекающего в естественных условиях, и вес ежегодно отлагающихся осадков в водохранилищах уже намного выше веса осадков, накапливающихся в озерах естественного происхождения.

Для водохранилищ, сооружаемых на равнинных реках, характерно широкое развитие мелководий, например. Это увеличивает нерациональные потери затопленных сельскохозяйственных земель, тогда как рост запасов воды на мелководьях весьма незначителен.

При создании водохранилищ в горных ущельях удается значительно сократить площадь затопляемых земель и образующихся мелководий; однако у плотин на горных реках из-за резкого снижения скорости течения при большой массе транспортируемого обломочного материала наблюдается быстрое заполнение водохранилища наносами и соответствующее уменьшение накапливаемых вод.

У водохранилищ различают зоны постоянного, временного затопления и подтопления. В зоне временного затопления из-за переувлажнения грунтов развиваются процессы размыва и обрушения берегов, чему способствуют также абразионная деятельность волн и разрушение в этой полосе почвенно-растительного покрова. Зона подтопления формируется под влиянием подъема уровня грунтовых вод и может достигать многокилометровой ширины в зависимости от фильтрационных свойств грунтов, режима и уровня фунтовых вод. В этой зоне может происходить заболачивание и ухудшение санитарных условий местности; в области лесных ландшафтов в зоне подтопления происходит деградация древостоя и снижение товарной ценности леса.

Многие отрицательные последствия строительства плотин и водохранилищ являются серьезным аргументом против их дальнейшего развития. Однако необходимо помнить, что водохранилища – важнейшее средство увеличения объема возобновимых водных ресурсов.

4. Антропогенные изменения литосферы.

Антропогенное прогибание земной коры. Антропогенное оседание поверхности земли начинается с локальных очагов, но постепенно охватывает площади до 10–15 тыс. кв. км при понижении поверхности со скоростью до 20 см/год, достигая глубины 7–9 м.

Данный процесс связан с добычей твердых полезных ископаемых, откачкой флюидов (воды, нефти и газов), с созданием водохранилищ, строительством в городах высотных зданий.

Установлены прогибания и оседания земной коры в связи с подземными выработками в районах угледобычи Рурского бассейна (Германия), в Японии, Англии, США, в Донецком, Опасное оседание и сдвижение горных пород над выработками развивается, когда толщина кровли менее чем в 300 раз превышает толщину отрабатываемого слоя. Прогибанию земной коры способствует также нагрузка отвалов, нагроможденных на поверхности шахтных полей.

Многолетние откачки воды для нужд местных жителей непосредственно под населенными пунктами приводят к постепенному, но зачастую значительному проседанию поверхности земли в городах. Откачки обычно не компенсируются притоком воды с поверхности в результате ее использования и протечками из водоразводящих систем. В результате в крупных городах, стоящих на осадочных породах, таких как Мехико, Бангкок, Токио и многих других, просадки распространяются на большие площади и достигают 8–10 м, а в отдельных случаях и больше.

В районах нефте- и газодобычи порождается стрессовое снижение давления в нефтегазоносных структурах осадочных толщ, нарушение гидро- и теплового режима больших площадей интенсивно осваиваемых месторождений.

Часто происходят значительные изменения на поверхности в результате смещения и уплотнения горных пород. Примером сильного опускания коры при откачке флюидов может служить город и гавань Лонг-Бич близ Лос-Анджелеса, где при скорости оседания 10...70 см/год опускание достигло 8,8 м, а горизонтальные смещения — 3,7 м.| Серьезно пострадали промышленные предприятия, военно-морская верфь, железнодорожные пути, трубопроводы, мосты и отдельные здания, а также сотни скважин, которые откачивали нефть.

В последние десятилетия были получены инструментальные данные о проседании земной коры в районах крупных водохранилищ. Огромные массы воды создают дополнительную, нагрузку на твердую оболочку, нарушая изостатическое равновесие. Прогибание земной коры зафиксировано под многими водохранилищами: под водохранилищами Красноярской, Братской ГЭС, на реках. Скорости прогибания достигают 1...2,5 см/год.

Строительство крупных городов с нагрузкой высотных и промышленных зданий также порождает опускание земной поверхности. Большие города также вызывают опускание масс земной поверхности, так как концентрируют здания, промышленные предприятия, транспорт и т. д. В частности, в Москве скорость опускания составляет 1 — 2 мм в год, особенно усиливается этот процесс в местах прокладки подземных тоннелей.

Рассмотренные выше процессы привели к тому, что к концу XX в. общая площадь крупных городов, водохранилищ и разрабатываемых месторождений полезных ископаемых составила не менее 15 % суши. Такие масштабы позволяют говорить о глобальном характере данного процесса. В результате соответствующая часть земной коры будет вовлечена в возбужденные человеческой деятельностью движения. Эти движения охватят наиболее населенные, т. е. наиболее чувствительные к последствиям, территории.

Антропогенные землетрясения. Антропогенные землетрясения возникают в результате: а) изменения гидростатических и гидродинамических условий при откачке из коры флюидов или их внедрении; б) извлечения твердых полезных ископаемых; в) перераспределения нагрузок на земную кору.при создании водохранилищ.

При указанных видах деятельности нарушается изостатическое равновесие почти по всей толще земной коры. Особенно широко известны землетрясения в районах нефтегазодобычи.

В последние годы в результате повторных высокоточных геодезических измерений в районах водохранилищ обнаружены постоянные колебательные движения в зонах подтопления берегов, особенно в сейсмоактивных горных районах. Существенное условие — наличие гидравлической связи подземных вод вплоть до глубоких слоев. Кроме того, факторами, влияющими на частоту повторения землетрясений близ водохранилищ, помимо геологических условий являются скорость подъема уровня воды в водохранилище, продолжительность роста нагрузки, достигнутый максимум нагрузки и период времени, в течение которого поддерживается высокий уровень воды.

Подземные ядерные взрывы также представляют собой эквивалент землетрясений с магнитудой 5,0 — 6,8. Они могут вызывать взрывы в земной, коре, смещения пород и пр. Поэтому их все большее применение в ряде стран для образования озерных котловин, гашения газовых пожаров, создания подземных полостей и других целей вызывает необходимость прогнозировать побочные Сейсмические и тектонические последствия.

Антропогенная активизация геоморфологических процессов. Геоморфологические процессы активизируются обычно при дорожном, жилищном и промышленном строительствах в горных районах, где могут развиваться оползни, обвалы, сели. Эти про­цессы в ряде случаев стимулировались на Кавказе. Так, в связи с сооружением перевальной дороги с тоннелем в районе Рокского перевала дорога местами оказалась врезанной в прилегающий склон, а укрепление склонов было отнесено на вторую очередь работ, в результате возникла серия сходов селей и обвалов.

Сведение лесов и неумеренные выпасы скота на склонах нередко порождают условия для развития эрозии и схода лавин. Сели требуют для своего возникновения в селевом бассейне комбинаций трех основных условий: достаточного количества рыхлого материала и воды при значительном уклоне. Частота и размеры селей в некоторой степени зависят от деятельности человека. Основной канал антропогенного воздействия – накопление рыхлого материала, доступного действию воды.

Специфические осложнения возникают при разработке нефтегазовых месторождений Западной Сибири. Расширение разведки и добычи в условиях сплошной многолетней мерзлоты порождает распространение антропогенных процессов — активизации пучения грунтов, солифлюкции, термокар­ста. В результате магистральные трубопроводы своим влияни­ем захватывают полосу до 100 м шириной, термокарстовые во­ронки достигают 40 м в поперечнике и т.д. При современной тенденции к расширению добычи нефти и газа для продажи за рубеж возникает угроза расширения неблагоприятных антро­погенных процессов в регионе и разрушения равновесия в природных комплексах Сибири на площадях в сотни тысяч гектаров.

4. Антропогенные изменения биосферы.

В "жизни" географической оболочки огромную роль играет растительность, осуществляющая фотосинтез, благодаря чему происходит прирост фитомассы.

Леса — составная часть биосферы и географической оболочки в целом, они с древнейших времен представляли собой непременное окружение человека.

Леса играют огромную роль в поддержании определенных природных процессов, поставляя в атмосферу кислород. Лесная растительность играет важную водорегулирующую, роль, предупреждает водную и ветровую эрозию. Леса поставляют древесину, смолы, орехи, ягоды и многие другие виды сырья и продуктов. Они необходимы для существования многих видов животных. Важна роль лесов в удовлетворении потребностей человека.

Увеличивающиеся потребности в древесине для производства бумаги и строительства ежегодно приводят к сокращению площади лесов в мире. Особую тревогу вызывает у мировой общественности состояние влажно-тропических лесов. Они уничтожаются быстрыми темпами, что связано с переводом занимаемых ими земель в сельскохозяйственное использование, а также со строительством дорог и населенных пунктов.

Уменьшение площади лесов сокращает возможности трансформации и аккумуляции солнечной энергии. Потребность человечества в органической продукции биосферы уже превышает ее фактический объем в энергетическом выражении.

Животный мир — часть биосферы, необходимая для нормального функционирования географической оболочки и круговорота вещества. На земле обитает около 1,0 — 1,5 млн видов животных, что в 3 раза превышает количество видов растении. Многие животные используются человеком для питания, как источники сырья для промышленности и кустарного производства.

Воздействие человека на животный мир делится на прямое и косвенное. Прямое может выражаться в непосредственном уничтожении (сознательном или бессознательном) животных, косвенное — в изменении природной среды, создании новых экологических условий обитания.