12.10.2. Загрязнение-результат ошибок в эксплуатации системы жизнеобеспечения

До самого последнего периода истории Земли живые системы планеты эволюционировали почти в полной гармонии с атмосферой, гидросферой и литосферой, не испытывая влияния человеческой деятельности. Но по мере развития сельского хозяйства и промышленности воздействие человека на среду стало все заметнее. Повсеместная индустриализация, особенно развернувшаяся за последние два столетия, привела к потенциально опасным уровням загрязнения среды.

Можно сказать, что загрязнение - это поступление в окружающую среду каких-либо веществ или энергии в таких больших количествах или в течение столь длительного времени, что эти вещества или энергия начинают наносить ущерб людям и окружающей их природе. Легко распространяясь от одних компонентов системы жизнеобеспечения к другим, загрязнение в той или иной степени влияет на все параметры среды - антропогенные и природные, физические и биотические. Например, поступление в атмосферу чрезмерного количества некоторых газов ведет к возникновению "кислотных дождей" (гидросфера), которые в свою очередь приводят к закислению почвы (литосфера), а также к глубоким изменениям в лесных и водных экосистемах (биосфера), разрушению зданий и других объектов человеческой деятельности.

Еще в начале шестидесятых годов считали, что загрязнение атмосферы - это локальная проблема больших городов и индустриальных центров, но позже стало ясно, что атмосферные загрязнители способны распространяться по воздуху на большие расстояния, оказывая неблагоприятное воздействие на районы, находящиеся на значительном удалении от места выброса этих веществ. Таким образом, загрязнение атмосферы - это глобальное явление, и для контроля за ним необходимо международное сотрудничество. К числу наиболее распространенных загрязнителей атмосферы относятся такие газы, как хлорфторуглероды, диоксид серы (SО₂), углеводороды и оксиды азота (NO_х).

Загрязнение может привести к значительному снижению естественной концентрации газов, входящих в состав атмосферы, например озона (О₃) в стратосфере. Но поразительно другое: концентрация озона выше в тех районах, где среднемесячное содержание загрязнителей в нижних слоях атмосферы составляет 200 млн.^-1, чем там, где максимальная величина загрязнения не превышает 0,04 млн.^-1. Подобные аномалии высоких концентраций озона наносят ущерб многим сельскохозяйственным культурам, например томатам: суммарные потери урожая за счет избытка О₃ составляют в Калифорнии около 1 млрд. долларов в год. В сочетании с углеводородами и соединениями группы NO_x озон может представлять собой прямую опасность для здоровья людей, и кроме того, является одной из важных составных частей фотохимического смога. Пыль, шум, чрезмерное количество тепла, радиация и электромагнитные поля, все это - загрязнение атмосферы. Детальное обсуждение полного перечня загрязняющих веществ, эффектов их воздействия и методов контроля за ними выходит за рамки настоящего изложения (см. D. Elson, 1987. Atmospheric pollution, Blackwell). Все возрастающая концентрация диоксида углерода, вклад этого и других газов в создание планетарного парникового эффекта обсуждались в разд. 12.4.1. Ниже речь пойдет о двух других актуальных глобальных проблемах; одна из них - обеднение озонового слоя (образование озоновых дыр), другая - "кислотные дожди".

Обеднение озонового слоя. Атмосфера - это термостатический и радиационный щит Земли. В верхних слоях атмосферы на высоте 15-50 км от земной поверхности кислород и озон поглощают большую часть поступающей извне коротковолновой радиации. Это ультрафиолетовое излучение (УФ), рентгеновские и гамма-лучи, которые по своей физической природе пагубны для живых существ, так как разрушают их генетический аппарат. По оценкам, полученным в США, при уменьшении концентрации озона стратосферы на 5% интенсивность УФ-излучения у поверхности Земли возрастет на 7,5-15%, что может повлечь за собой увеличение заболеваемости раком кожи на десятки, а то и сотни тысяч случаев в год.^* При поглощении излучения озоном происходит прогрев стратосферы, возникает хорошо выраженный слой температурной инверсии (в отличие от температуры стратосферы, температура тропосферы, т. е. нижнего слоя атмосферы, по мере возрастания высоты падает). Существование этого слоя заметно ограничивает интенсивность и масштабы конвективного перемешивания атмосферы, поэтому любые нарушения слоя инверсии приведут к резкой глобальной смене погодных условий, а значит и к изменению климата на Земле.

^* (УФ-излучение определенной длины волны оказывает важный целебный эффект, способствуя превращению стероидов кожи в витамин D.)

В верхних слоях атмосферы молекулы кислорода (О₂) диссоциируют под действием излучения на атомы (О), которые соединяются с молекулами, образуя озон (О₃). Под действием солнечного света эта реакция обратима (О₃ + О↔2О₂). В "озоновом слое" концентрация озона поддерживается на некотором равновесном уровне в 1 млн.^-1.

Хлорфторуглероды представляют собой группу химических соединений, куда входят, в частности, четыреххлористый углерод и хлороформ. Обычно хлорфторуглероды используют в качестве растворителей, распылителей аэрозолей и фреонов в холодильниках. Эти вещества сравнительно устойчивы в нижних слоях атмосферы, где часто способствуют возникновению парникового эффекта (см. разд. 12.4.1). Они очень летучи и поэтому в конечном счете оказываются в стратосфере. На высоте более 25 км хлор- и фторсодержащие соединения распадаются под влиянием солнечного света, высвобождая атомы хлора или фтора, которые реагируют с озоном, причем каждый такой атом разрушает 10⁵ молекул озона, т.е. диссоциация озона на молекулярный и атомарный кислород происходит с большей скоростью, чем обратная реакция.

Таким образом, примесь хлорфторуглеродов нарушает равновесие между кислородом и озоном. При современном уровне загрязнения этими соединениями через 20 лет количество озона уменьшится на 10%, а за полвека может разрушиться около двух его третей. В 1987 г. впервые наблюдалось полное, хотя и носившее сезонный характер, разрушение озонового слоя над Антарктидой.

Кислотные дожди. Кислотные дожди - не простое и не единичное явление. При сжигании ископаемых горючих материалов образуется диоксид серы (SО₂) и оксиды азота (NO_x), а при неполном сгорании образуются еще и углеводороды. Все эти вещества поступают в атмосферу в газообразном состоянии, но иногда "вымываются" оттуда, выпадая на землю с осадками. Во всех промышленных районах, таких, как восточная часть США, Западная Европа и северовосточные районы Китая и Японии, иногда выпадают дожди, рН которых значительно ниже 4,0 (в норме нижний предел кислотности дождевой воды равен 5).^*

^* (При естественной концентрации диоксида углерода в атмосфере рН дождевой воды составляет 5,6. В присутствии оксидов серы, поступающих в атмосферу из океана и при извержении вулканов, эта величина иногда понижается до 4,7.)

Частое выпадение кислотных дождей (рН < 5) нередко приводит к крупным изменениям в экосистемах и повреждению зданий. Подобные явления обычны для государств, граничащих с теми, в которых находятся наиболее мощные источники загрязнения. Так, кислотные дожди, выпадающие в Норвегии и Швеции,- это результат загрязнения воздуха в Великобритании и Западной Европе, причем вредные вещества распространяются господствующими ветрами, дующими на большой высоте. В Центральной Швеции и Северной Норвегии под действием кислотных дождей снизились уловы лосося и форели, пострадали леса. Повреждение деревьев, связанное с кислотным загрязнением,- явление, очень распространенное сейчас в Европе, и есть данные о том, что в Англии от такого загрязнения страдают бук и тисс.

Нередко обнаруживается, что там, где почва бедна карбонатами (такие почвы образуются, например, на подстилающих гранитных породах), и не в состоянии нейтрализовать воздействие кислотных осадков, страдает фауна озер и рек. Особенно чувствительными оказываются молодь и икра рыб. В частности, в Скандинавии проблема осложняется тем, что килотные загрязнители, накопившиеся за зиму в снежном покрове, быстро высвобождаются весной при таянии снега и сразу попадают в большом количестве в талую воду в самый разгар нереста и выклева мальков.

Под влиянием кислотных дождей магний и кальций вымываются из почвы и листового опада, а алюминий, марганец и тяжелые металлы постепенно проникают в почвенные воды, где могут достигать токсических концентраций, приводящих к гибели корней деревьев и к разрушению микоризы. В результате этого снижается способность деревьев получать из почвы воду и минеральные соли. Болезни, связанные с недостатком минерального питания, стали весьма обычными, причем в условиях пониженной влажности заболеваемость деревьев увеличивается. К категории кислотных дождей следует отнести озонно-кислотные туманы, служащие, видимо, одной из важнейших причин суховершинности древостоя в Шварцвальде (ФРГ), а также выпадение сухих кислотных осадков. Озон образуется при взаимодействии углеводородов и оксидов азота в самых нижних слоях атмосферы под влиянием солнечного света. Даже в том случае, когда концентрация каждого отдельного загрязнителя безвредна, смесь таких веществ, как озон, диоксид серы, оксиды азота, другие фотооксиданты и тяжелые металлы, может привести к сильному угнетению растительности. В сочетании с климатическими стрессами, особенно засухой, такой "коктейль" из загрязняющих веществ часто бывает причиной гибели деревьев.

Таким образом, выражение "кислотные дожди" фактически обозначает несколько разнообразных явлений. Методы борьбы с закислением, например внесение извести в озера (Швеция) или лесную почву (ФРГ) дают лишь кратковременный положительный эффект. Серьезных успехов в этом направлении можно достигнуть лишь одним способом-снижением количества газообразных загрязнителей, поступающих в атмосферу. Особое внимание следует сосредоточить на уменьшении выбросов диоксида серы, который поступает в атмосферу в особенно больших количествах, а источники выбросов сравнительно легко обнаружить: это промышленные предприятия, главным образом работающие на угле электростанции. Кроме того, существуют эффективные и доступные, но дорогостоящие технологии десульфуризации^* при использовании которых диоксид серы в атмосферу не выбрасывается. В долгосрочной перспективе, видимо, также важно будет ограничить поступление в атмосферу углеводородов и оксидов азота.

^* (Стоимость таких технологий велика при внедрении их на уже действующих предприятиях, но она значительно снижается при включении их в первоначальный проект.)

(Загрязнение воды)

До последнего времени загрязнение воды было локальным явлением, касавшимся преимущественно промышленно развитых стран. Проблема эвтрофизации, вызванной применением чрезмерного количества удобрений при интенсивном ведении сельского хозяйства, а также сточными водами, обогащенными фосфатами, уже обсуждалась в разд. 12.4.1. Такие ситуации все чаще возникают то в одном, то в другом уголке земного шара, затрагивая не только пресноводные, но и морские экосистемы. Например, летом 1988 г. огромное, протяженностью в несколько миль пятно "цветения" планктонных водорослей покрыло часть Северного моря и достигло Балтики. Сброс плохо очищенных сточных вод из населенных пунктов побережья приводит к возникновению прямой угрозы для здоровья купающихся в море людей и для морских животных.

Городские стоки и крупные свалки часто бывают причиной загрязнения вод тяжелыми металлами и углеводородами. Поскольку тяжелые металлы накапливаются в морских пищевых цепях, их концентрация может достигнуть летальных доз, что и произошло после большого промышленного выброса ртути в прибрежные воды Японии близ г. Минимата. Повышенная концентрация этого металла в тканях рыбы привела к гибели многих людей и животных, съевших зараженный продукт. Сублетальные дозы тяжелых металлов, пестицидов и продуктов переработки нефти могут заметно ослаблять защитные свойства организмов. Концентрация полихлорбифенилов (известны еще и как канцерогены) в Северном море достигает в настоящее время 0,000002 млн.^-1, а в тканях дельфинов, представляющих собой конечное звено пищевой цепи, их концентрация достигает уже 16 млн.-¹. Страны, расположенные на побережье Северного моря с недавнего времени проводят комплекс мероприятий, направленных на снижение, а в перспективе и на полное прекращение сброса в море и сжигания токсических отходов. Что же касается законодательных мер по контролю за нефтяным загрязнением при работе нефтяных терминалов и слива балластной воды из нефтеналивных судов, то они были приняты гораздо раньше, после того как стала очевидной опасность больших разливов нефти из танкеров (как, например, это было при аварии Торри Каньон в 1967 г.). Результаты исследований показали, однако, что малоизвестные небольшие по объему, но постоянно повторяющиеся разливы и утечки нефти наносят экосистемам даже больший ущерб, чем нашумевшие катастрофы. Детергенты, применяемые для уничтожения нефтяных пятен с поверхности моря, часто оказываются более опасными для среды, чем сама нефть. Настоятельно необходимо дальнейшее изучение проблемы и дальнейшее совершенствование мониторинга нефтяного загрязнения моря.

На пути юридического контроля загрязнений морской, а особенно открытой океанической среды возникают большие трудности, поскольку проблема уничтожения отходов стала сейчас для многих государств весьма острой, а незаконный сброс их в море чрезвычайно привлекателен. Вредные химические соединения и радиоактивные отходы, попавшие в море, постепенно разносятся течениями и волнами, но если они попадают в мелководные приконтинентальные моря, и особенно на литораль, то немедленно наносят вред экосистеме, еще до того, как удается принять эффективные меры борьбы с этим воздействием. В этом отношении малые моря особенно уязвимы. Воды Ирландского моря имеют более высокую радиоактивность, чем в других приконтинентальных морях, а объясняется это утечками на атомной станции в Селлафилде.

Еще одна серьезная проблема связана с эрозией почвы. В результате эрозии увеличивается количество взвеси в речных и морских прибрежных водах. Есть данные о том, что наличие взвеси в воде благоприятно для рыболовства, однако это не доказано. Вместе с тем совершенно очевидно, что осаждение чрезмерного количества взвеси ведет к разрушению коралловых рифов. Так, на Большой барьерный риф неблагоприятное воздействие оказало уничтожение лесов на континенте.

Лес - это естественная устойчивая формация растительного покрова обширных областей земного шара, занимавшая до последнего времени одну треть поверхности суши. Если площадь, занятая лесами умеренной зоны, уменьшается незначительно, то тропические леса исчезают с такой скоростью, что к 2000 г. будут занимать лишь 30 млн. га или 7% суммарной поверхности суши, тогда как в 1950 г. эта цифра составляла 15%. Каждый год в мире уничтожается лес на 12 млн. га (что равно площади Англии), а еще 10 млн. га лесов деградируют, так как вырубка ценных пород на этих площадях не сопровождается соответствующим лесоустройством и природоохранными мероприятиями. А между тем тропические леса крайне нуждаются в охране. В древесине ценных пород заинтересованы практически все страны мира, и следовательно, все они должны отвечать за состояние тропических лесов. Страны Третьего мира, где эти леса произрастают, слабо развиты и не в состоянии самостоятельно справиться с этой задачей.

Традиционная практика расчистки лесов под пашню с помощью подсечно-огневого метода долгое время не приносило лесу ощутимого вреда, так как плотность населения была невелика. Необходимо также подчеркнуть, что времени, на которое поле забрасывали и оно снова зарастало, хватало для того, чтобы восстанавливалась естественная лесная экосистема и плодородие лесных почв. Позже, когда численность населения возросла и появились такие конкурентные виды землепользования, как постоянные сельскохозяйственные плантации или затопление при строительстве ГЭС, периода "отдыха" земли стало не хватать, и для освобождения новых посевных площадей потребовалась дополнительная вырубка лесов. Но развитие сельского хозяйства - не единственная причина уничтожения тропического леса: там заготавливают дрова и ценную древесину тропических пород (например тисс, и красное дерево), кроме того, лес вырубают и выжигают, расчищая пространства под пастбища. За сложившуюся ситуацию ответственны не только страны Третьего мира. Крупномасштабное уничтожение тропических лесов является результатом как роста численности местного населения (мелким фермерам нужно все больше земли и топлива), так и эксплуататорских интересов богатых стран в получении по низким ценам ценнейшей древесины и мяса.

Уничтожение лесов чревато серьезными последствиями.

а) Оно сопровождается уменьшением количества сырья и продуктов, которые всегда давал лес, а местное население использовало для своих нужд. Это - ценная древесина, стройматериалы, топливо, мед, дикие фрукты, охотничья дичь и дикорастущие растения.

б) Во всем мире неуклонно возрастает потребление лесоматериалов (строительство), древесной массы (производство бумаги) и ценной древесины тропических пород (изготовление мебели). Однако длительная добыча этого сырья в столь больших объемах может нанести тропическим лесам невосполнимый ущерб.

в) Леса, произрастающие на горных склонах и водоразделах, задерживают большое количество дождевой воды и медленно отдают ее в ручьи и реки. Уничтожение лесов - важнейшая причина наводнений в долинах. Индия на борьбу с наводнениями ежегодно тратит 1 млрд. долларов. Летом 1988 г. в Бангладеш происходили небывалые наводнения, охватившие всю страну. Основная причина бедствия - уничтожение горных лесов вблизи северных границ государства - в Индии и Непале. Чтобы возместить нанесенный наводнениями ущерб, необходимы международная помощь и сотрудничество разных государств.

г) Уничтожение лесов ведет к эрозии почвы, а эрозия в свою очередь - к экономическому спаду и голоду. Источники чистой воды загрязняются, возникают заболевания, как это имело место в Бангладеш. Заиление водохранилищ сокращает срок их службы, а порты и эстуарии необходимо постоянно расчищать, чтобы они оставались судоходными.

д) В результате сведения лесов усиливается возрастание концентрации диоксида углерода (см. разд. 12.4.1) и увеличивается альбедо земной поверхности. Оба этих фактора могут стать причиной глобальных и длительных изменений климата.

е) Уменьшение площади лесов может повлечь за собой изменение количества атмосферных осадков и частоты их выпадения, в результате чего могут быть утеряны весенние запасы воды, необходимые для нормального развития природных сообществ.

ж) В лесах обитают наиболее богатые по числу видов и их разнообразию природные сообщества. При их нарушении исчезает масса малоизвестных и редких живых существ, происходит значительная потеря генетического разнообразия и потенциальных ресурсов.

Уничтожение лесов - не единственная причина эрозии почвы: это явление наблюдается и при чрезмерной эксплуатации пашни и пастбищ. Формирование почвы - длительный процесс (разд. 12.5) и сейчас на планете в целом разрушение почвы происходит гораздо интенсивнее, чем ее образование. Особенно значительная эрозия возникает в холмистых местностях, где выпадает много осадков и происходит активная вспашка земли. Во многих районах Юго-Восточной Азии издавна существует система террасного земледелия, которая позволяет хорошо удерживать почву даже там, где нет леса. Применение этого агроприема наряду с безотвальной вспашкой и сооружением на полях перемычек, препятствующих вымыванию почвы во время дождей - основные меры борьбы с эрозией. Примеры такой сберегающей почву культуры земледелия имеются на Бали, тогда как на соседней Яве быстрый рост населения и преобладание мелких единоличных хозяйств привели к значительному оскудению запасов плодородных земель. Вследствие эрозии во всем мире ежегодно теряется 5 млн. га плодородной пахотной земли.

На пастбищах, где происходит перевыпас скота, часто уничтожается растительный покров, удерживающий плодородный слой почвы. Растения выедаются целиком и погибают, в результате чего дождевая вода беспрепятственно размывает поверхность почвы, вызывая обширную эрозию, что в конечном итоге ведет к возникновению глубоких оврагов. Ежегодно в мире из-за перевыпаса и последующей эрозии теряется около 7 млн. га пастбищных угодий, многие из которых превращаются в пустыню.

Пустыни обычно возникают естественным образом, однако этот процесс, называемый опустыниванием, часто ускоряется в результате деятельности человека. Треть поверхности суши располагается в засушливых и полузасушливых областях, а 700 млн. человек, населяющие эти области, находятся буквально на грани выживания. Хозяйственная деятельность этих малоимущих людей вызывает значительную эрозию почв, но у них нет иного выхода. Размеры Сахеля, полузасушливого пояса, расположенного в Африке южнее Сахары, увеличиваются из-за перенаселенности и слишком интенсивного выпаса скота. Процесс опустынивания можно остановить и снова превратить пустыню в оазис. Для этого необходимо переселить население в другие районы и насадить леса. В силу административных, социальных, экономических и политических причин эта задача чрезвычайно трудна, однако ее решение привело бы к увеличению количества и регулярности выпадения осадков, что в свою очередь через изменение величины альбедо влияло бы на климат.

1. а) Для любой из тем, обсуждавшихся в этом разделе, или разд. 12.4.1 (парниковый эффект или эвтрофизация) составьте итоговую таблицу, из которой было бы видно, кто расплачивается за загрязнение среды, а кто получает прибыль.

б) Когда владельцу предприятия, загрязняющего среду, приходится оплачивать мероприятия, направленные на борьбу с загрязнением, эта сумма включается в себестоимость продукции (принцип "нарушитель платит за все"). Чем выгоден такой подход, и в чем трудности его применения?