За всю историю существования человеческих цивилизаций рядом с природными или внутри них возникали новые системы антропогенного характера — разнообразные городские и сельские поселения, сельскохозяйственные и лесопромышленные зоны, транспорт и транспортные коммуникации, энергетические системы, горнодобывающие и горнорудные предприятия, промышленные предприятия, рекреационные системы и др.
Антропогенные системы существенно преобразовали природные условия как на отдельных территориях, так и в региональном масштабе, повлияли на окружающую среду. Но с течением времени степень их воздействия существенно менялась: более слабыми эти воздействия были в античные века, в средневековье, но начали усиливаться с эпохи Возрождения. Особенно сильными и прогрессирующими они стали со времени промышленной революции.
В связи с двойственностью воздействия природно-антропогенных систем возникают соответствующие геоэкологические проблемы. Они несут в себе как естественно-природные, так и антропогенные черты. Геоэкологические условия всех городов с высокоразвитыми горнопромышленными производствами похожи друг на друга, но могут отличаться природными характеристиками. Например, природные условия таких горнопромышленных регионов, как Кольский полуостров или Урал, совершенно иные, чем Бразилии или любого региона Африканского континента.
Геоэкологические особенности урбанизации
Начиная с конца XIX в. на первый план общемировых проблем выдвинулась урбанизация, или быстрый рост городов и городского населения. Этот процесс влечет за собой глобальные качественные изменения природной среды, усиливая антропогенную нагрузку как на территории, занятой самим городским поселением, так и на территории ближайших и отдаленных пригородов.
Среди множества определений города наиболее близким и понятным для геоэкологов может быть понятие, которое определяет город как крупный населенный пункт, выполняющий промышленные, организационно-хозяйственные, управленческие, культурные, транспортные и иные функции, исключая сельскохозяйственные. Сложный комплекс города с пригородами, где находятся и сельскохозяйственные населенные пункты, представляет собой городскую агломерацию. Несколько близко расположенных агломераций называют мегаполисом.
Согласно Н. Ф. Реймерсу, малыми городами считаются населенные пункты с населением 10—50 тыс. жителей, средними — 50—100 тыс., крупными — 100-500 тыс. и крупнейшими — более 500 тыс. жителей.
Первые города появились в VI тысячелетии до н.э. в долинах рек Хуанхэ, Меконг, Ганг, Тигр и Евфрат. Во II тысячелетии до н.э. основаны Афины и Вавилон. Уже в VII в. до н.э. в Вавилоне проживало около миллиона человек, в IV в. н. э. в Риме насчитывалось более двух миллионов жителей. Число городов и городских жителей после промышленной революции стремительно растет. Если в самом начале XIX в. число горожан составляло всего около 5% жителей Земли, то в начале XX в. их доля от числа жителей мира составила 20%, в 1980 г. — почти 50%. В конце XX в. городское население увеличивалось со скоростью 2,5% в год, тогда как сельское — всего лишь на 0,8%.
Быстро растут городские поселения, а также увеличивается число городов-гигантов — мегасити. Если в 1950 г. в мире было всего два города-гиганта — Нью-Йорк (12,3 млн. жителей) и Лондон (7 млн. жителей), то в конце XX в. имелось уже 23 города с численностью более 8 млн. жителей: Токио (Япония), Мехико (Мексика), Сан-Паулу (Бразилия), Нью-Йорк (США), Бомбей (Индия), Шанхай (Китай), Лос-Анджелес (США), Калькутта (Индия), Буэнос-Айрес (Аргентина), Сеул (Южная Корея), Пекин (Китай), Осака (Япония), Лагос (Нигерия), Рио-де-Жанейро (Бразилия), Дели (Индия), Карачи (Пакистан), Каир (Египет), Париж (Франция), Тяньцзинь (Китай), Манила (Филиппины), Москва (Россия), Джакарта (Индонезия), Дакка (Бангладеш).
Городское население растет не только в развивающихся странах. Регионами со значительными темпами роста городского населения являются города, расположенные в мягком и теплом климате и в странах с благоприятной экономикой. К числу их относится территория северо-запада США (штаты Вашингтон, Орегон и Калифорния). Текущий ежегодный прирост жителей этого региона составляет 12% и обусловлен как миграцией из других районов США, так и иммиграцией из стран тихоокеанского региона.
В России площадь городов в середине 90-х годов XX в. составляла 5,5 млн. га, или 0,33% сухопутной территории. В то же время в таких европейских государствах, как Великобритания, Дания, Германия, Бельгия, Нидерланды, урбанизированные земли занимают территорию от 8 до 15% общей площади.
Города в основном растут вширь, захватывая и преобразуя продуктивные сельскохозяйственные и лесные земли. Ежегодно из-за урбанизированного вторжения под города и городские коммуникации отводится несколько миллионов гектаров продуктивных земель.
Для всех городов, численность населения которых превышает 50 тыс. человек, характерна полифункциональность. Здесь превращаются в промышленную продукцию сырье и полуфабрикаты. Необходимое условие функционирования городов — снабжение их большим количеством воды и энергии. В городах расходуется огромное количество топлива. Полезные ископаемые, добываемые из литосферы, превращаются в застройку, транспорт, свалки и др.
В настоящее время помимо отдельных крупных городов возникают и так называемые конурбации, или скопления крупнейших городов. Так ныне происходит в Японии и США. В Японии на о. Хонсю городская застройка практически непрерывно тянется от г. Токио до г. Кобе на расстояние более 50 км. Она захватывает второй по величине город Японии Осаку, крупнейший порт страны Нагоя и другие города численностью более 1 млн. человек.
На восточном побережье США конурбация захватывает территорию от Вашингтона до Бостона и включает такие крупнейшие города, как Нью-Йорк, Филадельфия, Балтимор и др.
Степень антропогенных преобразований природной среды в рамках городских территорий чрезвычайно высока. Городские ландшафты, в какой-то мере сходные с природными, весьма примитивны: парки, скверы, в значительной степени реже лесопарки, побережья озер и морей, а также своеобразные террасы рек. В столь простых и часто примитивных экосистемах сохранились отдельные виды птиц и животных, паразитирующих на отходах деятельности человека. В меньшей степени изменяется литогеническая основа городской территории и в какой-то степени климат, хотя климат в центральных частях мегаполисов существенно отличается от климата пригорода. В центре города из-за повышенного выброса теплового потока среднегодовые температуры на 2—5°С выше, чем в пригороде.
Как и любой искусственно созданный ландшафт, городская территория не может долгое время сохраняться в устойчивом состоянии без постоянной поддержки человека. Заброшенные или малоухоженные кварталы мегаполисов быстро разрушаются и представляют собой прекрасный пример антропогенно созданной «городской пустыни».
Сами природные условия, в которых располагаются города, во многом предопределяют геоэкологические проблемы территории, а города только их ухудшают. Загрязнение воздуха, характерное для зимнего времени в городах Западной Европы, Сибири, Северо-Восточного Китая, возникает благодаря инверсии температуры, вызывающей устойчивую стратификацию воздуха. Весьма высокое загрязнение воздуха в городах Лос-Анджелес, Мехико и Сантьяго, что является примером развития смогов и даже послужило основой для их классификации.
В городских условиях кроме состояния атмосферного воздуха серьезную геоэкологическую проблему создают качество воды и очищение канализационных стоков. В настоящее время многие крупные города не в состоянии справиться с продуктами жизнедеятельности. Загрязнения поступают не только в поверхностные, но и подземные воды, в водопроводную систему, что представляет серьезную опасность при водоснабжении. К этому необходимо добавить функционирование системы сбора и переработки твердых бытовых и промышленных отходов. В результате возникает обстановка, опасная для жизнедеятельности и здоровья жителей городов.
Согласно современным данным, около 250 млн. жителей городов развивающихся стран не имеют источников пригодной для употребления питьевой воды. Более 450 млн. человек, живущих в городах, не имеют доступа к простейшим туалетам. От 30 до 65% городского мусора не убирается и в некоторых городах скопления мусора напоминают свалки.
Городские системы потребляют, перерабатывают и превращают в отходы значительную массу воды, продовольствия и топлива. Чем выше уровень развития страны, тем выше потребляемые услуги систем жизнеобеспечения. По степени потребления услуг различаются не только города развивающихся и развитых стран, но и даже районы в пределах одного города. Последнее зависит от уровня благосостояния жителей района.
Городские центры некоторых государств оказывают негативное геоэкологическое воздействие на прилегающие территории. Например, в некоторых странах Африки население готовит пищу с использованием дров, поэтому все существующие лесные ресурсы в радиусе 50 — 80 км от крупных городов истощены. В результате энергетического кризиса в Ереване многие деревья в черте города и в городских скверах были уничтожены и использованы для обогрева жилищ и приготовления пищи. Точно так же поступают в зимнее время жители многих городов России при отключении электроэнергии и газового снабжения.
Растительность уничтожается не только ради получения тепла, но и для функционирования предприятий промышленности и энергетики. Так, например, в Норильске и в его окрестностях весьма уязвимая растительность практически уничтожена на расстоянии до 100 км от промышленных предприятий. Особенно далеко протянулись полосы уничтоженной растительности вдоль преобладающих направлений ветра.
Все крупные города, располагающиеся на берегах рек, вносят заметное количество загрязнений в воды. Мест загрязнения настолько много, а размеры их настолько велики, что полностью уничтожается жизнь в водных артериях на многие километры вниз по течению.
В то время как крупнейшие промышленные центры и мегаполисы и особенно контурбации в результате деятельности городского населения и своего географического местоположения способны причинить региональный геоэкологический ущерб, то несколько сотен крупных городов мира и тысячи более мелких вызывают локальное ухудшение состояния окружающей среды. Однако их суммарный эффект также оказывает значительное воздействие на глобальную ситуацию.
Управление геологической средой
Существуют три формы управления геологической средой. Во-первых, это изучение конечных результатов процессов экзо- и эндодинамики, их мониторинга и прогнозов. Во-вторых, это осуществление разнообразных мероприятий по освоению и рациональному использованию подземного и наземного геологического пространства и, в-третьих, это управление деятельностью горнорудных предприятий.
Эколого-геологический мониторинг. Понятие мониторинга окружающей среды впервые было предложено в 1972 г. на Стокгольмской конференции ООН. Под ним понимается система повторных наблюдений за одним или более элементов окружающей природной среды в пространстве и во времени с определенными целями и задачами. В последние годы в понятие «мониторинг» стали включать не только систему наблюдений, но и оценку и прогноз антропогенных изменений состояния окружающей среды. Выделяют несколько видов эколого-геологического мониторинга: эколого-геологический мониторинг городских агломераций, районов горнорудных предприятий, районов гидротехнических сооружений, районов сельскохозяйственного и гидромелиоративного освоения, районов АЭС и тепловых гидростанций, транспортных магистралей и сооружений (В. Г. Трофимов и др., 1997). В зависимости от ранга организаций (государственный или ведомственный) масштаб исследований по мониторингу может быть разный — от местного (детальный), регионального, национального и до глобального уровня. Существуют простые и сложные системы мониторинга. Примером сложной или комплексной системы может служить система геосферного мониторинга, в состав которого входят мониторинг атмосферы, гидросферы, биосферы, литосферы, геологической среды и техносферы.
Назначение эколого-геологического мониторинга конкретизируется в его целевой программе. В нее входят оценка состояния и прогноз развития неблагоприятных явлений в геологической среде, например оползней, провалов, подмыв берегов, подтопление, оседание, загрязнение подземных вод. В последние годы в сферу мониторинга подключены исследования по поведению отдельных элементов или их групп в геологической среде.
Система эколого-геологического мониторинга является важной составной частью и одновременно служит инструментом оптимизации различных этапов хозяйственной деятельности: планирования, строительства, эксплуатации и управления. На основе данных мониторинга создаются прогнозные модели геологической среды, которые широко используют для оптимального решения различных эколого-геологических задач. Эти исследования и модели позволяют определять допустимые техногенные нагрузки на верхние горизонты литосферы, оценивать эффективность и целесообразность применения различных методов освоения территорий и их застройки.
Использование подземного пространства. Земные недра с далеких времен служат человеку в качестве объекта, предоставляющего не только комфорт и благосостояние, но и территории, дающей дополнительное жизненное пространство. Это не только пространство, в котором ведется добыча полезных ископаемых шахтным способом, но и территории, где размещаются транспортные магистрали (туннели, линии и станции метро), крупные подземные промышленные комплексы, огромные хранилища нефтепродуктов и сжиженных газов, машинные залы электростанций, гаражи, грибные плантации, винные хранилища (винные погреба), спортивные залы, санатории и лечебницы, хранилища золота и драгоценностей и др. Однако пока используемые подземные хранилища строятся только до глубин 220 м.
Широко используют для различных целей бывшие подземные разработки. Заброшенные штреки и стволы шахт, известные под названием катакомб, занимают значительные пространства под такими городами, как Одесса, Рим и Париж.
Большой экономический эффект дает использование естественных подземных объектов для производственных и военных целей. В подземных пространствах размещают не только военную технику, в том числе ракеты и самолеты, но и некоторые предприятия военно-промышленного комплекса, а также ряд заводов оборонного значения. В созданных руками человека подземных хранилищах складируют взрывчатые, токсичные и радиоактивные вещества, они служат резервуарами для аккумуляции нагретых вод или сжатого воздуха. Накопление нагретых вод обычно ведется при избыточной выработке тепловой или электрической энергии различными установками.
Управление отходами
Любые отходы являются потенциальным сырьем до тех пор, пока не начата их переработка. Возникающие в процессе хозяйственной деятельности отходы длительное время складировали в определенных местах. Однако с ростом объема производства и разработкой новых технологий извлечения полезного компонента из отходов стала целесообразной их переработка, тем более что длительное хранение отходов в форме отвалов или промышленных и бытовых свалок с течением времени приводит к возникновению токсичных веществ и сильному загрязнению почвенных и подземных вод и атмосферного воздуха. Существующие методы обезвреживания отходов можно объединить в три группы (С. П. Горшков, 1998).
1. Ликвидационные методы, используемые исключительно с целью изолировать и по возможности уничтожить увеличивающееся количество отходов без извлечения полезного вторичного сырья. Ликвидация на свалках различных отходов — самый распространенный способ удаления и изоляции отходов. Существуют как открытые свалки, так и закрытые многоярусные с земляным покрытием. В ряде случаев свалки устраивают для сглаживания рельефа. Отходы используют в качестве засыпки оврагов, котловин, балок и даже для наращивания площади за счет засыпки подтопленных территорий и на прибрежных частях морских акваторий. Широко используют заполнение отходами заброшенных шахт, горно-геологических канав, рудников и открытых карьеров. Все шире внедряется сжигание отходов, однако такой способ сильно загрязняет воздушную среду. Иногда отходы, в том числе и бытовой мусор, сваливают в определенных местах на дно внутриконтинентальных водоемов и в прибрежной части морей и океанов.
На морское дно в значительных объемах сбрасывается грунт, получаемый при землечерпательных работах для очистки фарватера и гаваней. Такой грунт сильно загрязнен различными органическими веществами и тяжелыми металлами. По примерным подсчетам загрязненный грунт составляет около 80% всех сбрасываемых в море отходов. Остальные 20% составляют строительный мусор, отстой сточных вод, различные промышленные отходы. Ряд приморских государств обладает большим положительным и негативным опытом по сбросу сточных осадков в морские акватории. Так, за столетие (1888—1998 гг.) в Нью-Йоркской бухте было затоплено более 250 млн. м3 отходов. В результате этого на дне в некоторых местах возникли подводные возвышения высотой до 15 м.
2. Частично ликвидационные методы предусматривают сортировку отходов на специализированных заводах и выделение наиболее легко утилизируемых категорий мусора. Основная часть мусора сжигается.
3. Утили. щионные методы, при которых используют все компоненты мусора. Пищевые отходы после тепловой обработки поступают на свинофермы. Пластмассу, стекло, металлолом, тряпье, бумагу используют как вторичное сырье. Древесину, резину и некоторые другие отходы сжигают для получения энергии. Полная утилизация отходов достигается в результате сложного законченного цикла производственных процессов: сортировки с применением магнитной сепарации и дробления, биологической переработки, гидролиза или газификации органических веществ и т. д.
В 80-е годы XX в. ежегодно в мире сжигали промышленным способом около 6% бытового мусора (50 млн. т.), что давало миро-ному хозяйству дополнительно около 7,5 млрд. кВт/ч энергии. Большую перспективу в этом отношении имеет строительство небольших фабрик, производящих биогаз из органических отходов.
Расширяется индустрия по вторичному использованию отходов. В ряде стран Западной Европы действуют предприятия, извлекающие пластиковые отходы и превращающие их в новые изделия из пластмасс. Служба утилизации постоянно совершенствуется. В настоящее время любой производимый продукт сопровождается подробным описанием способов его возможной утилизации. С конца 80-х годов XX в. в Японии начали использовать роботов для сбора и транспортировки твердых бытовых и промышленных отходов, для участия в производственных процессах на мусоросжигающих и мусороперерабатывающих предприятиях.
Геоэкологические последствия сельскохозяйственного производства
Наиболее широко распространенным антропогенным фактором преобразования земной поверхности, ее атмосферы и гидросферы является агропромышленный комплекс — важнейшая система жизнеобеспечения общества. Сельское хозяйство обеспечивает до 99% массы продуктов питания людей на Земле, в том числе 88% белкового питания. Отсюда неизбежен вывод о том, что чем выше численность населения и больше его потребности, тем выше роль сельского хозяйства и тем сильнее его воздействие на внешние геосферы.
В настоящее время около 40 % территории, свободной от льда, занимают сельскохозяйственные системы— земледельческие и животноводческие производства. Из них пашня составляет около 30%, пастбища — около 70 % суши. Огромное разнообразие сельскохозяйственных систем и производств обусловлено ландшафтно-климатическими условиями и связано с особенностями применяемых технологий. Существуют различные вариации агросистем — от простых до очень сложных. Чем сложнее агросистема, тем выше уровень сельскохозяйственной технологии.
Несмотря на свое разнообразие, сельскохозяйственные системы характеризуются одной общей особенностью: они всегда оказывали и оказывают глубокое воздействие на природные экосистемы и ландшафтно-климатические особенности территорий. В процессе развития сельского хозяйства многоярусный естественный растительный покров и растительное многообразие заменяются монокультурой. Это связано с тем, что монокультуру выбирают в полном соответствии с природными условиями конкретной территории и специально повышают ее урожайность. Таким образом, в результате развития агротехники природная система коренным образом преобразуется, трансформируется и упрощается.
Со времени своего возникновения земледелие идет по пути изменения водного режима. Богарная система земледелия около 3 — 5 тыс. лет назад сменилась орошаемой.
Точно так же как и земледелие, животноводство обладает множеством разнообразных форм в соответствии с ландшафтно-природными условиями и уровнем развития общества. Животноводческие агросистемы существенным образом трансформировали природные ландшафты. Хорошо известно, что африканская саванна (лесная и высокотравная) под влиянием тысячелетнего весьма интенсивного выпаса скота, который осуществляли пришедшие на эту территорию скотоводческие племена, преобразовалась в пустыню.
Основной геоэкологической проблемой пастбищного скотоводства в засушливых регионах мира является постепенное истощение пастбищ вплоть до полного уничтожения растительного и почвенного покрова и развития опустынивания.
В умеренном поясе существующее пастбищно-стойловое животноводство также создает геоэкологические проблемы. Большинство из них связно с загрязнением почвы, грунтовых вод и поверхностных водоемов отходами животноводства. Это не только изменение кислотности почв, но и определенные нарушения в существующем природном круговороте азота, углерода и усиленном выбросе метана.
Естественные системы характеризуются высокой степенью замкнутости баланса органического вещества и биогенных элементов. Благодаря существованию замкнутых систем происходит направленная эволюция естественных систем. В сельскохозяйственных системах цикл круговорота вещества и биогенных элементов нарушается и размыкается. Часть веществ забирается человеком в виде урожая, часть удаляется для переработки. Все большее количество веществ вносится в виде минеральных удобрений и пестицидов. Вынос вещества с сельскохозяйственных угодий достигает 40—80% годовой продукции биомассы. При этом оказывается, что чем выше продуктивность агросистем, тем больший объем имеет отчуждаемая продукция, а это приводит к неустойчивости самой системы. Антропогенный привнос веществ в агросистему на два порядка превосходит их естественное поступление. А все это вместе взятое приводит к значительной трансформации агросистемы.
В процессе сельскохозяйственного производства меняются роль и скорость многих экзогенных процессов. Усиливается водная и ветровая эрозия почв. Сама почва меняет свою структуру. Она уплотняется под тяжестью сельскохозяйственных машин. Меняется и структура теплового баланса вследствие изменения величины альбедо и затрат на траспирацию. В полном соответствии с происходящими экзогенными факторами изменяются водный баланс и режим влаги в почве.
Геоэкологические проблемы сельского хозяйства считаются универсальными. Они встречаются повсеместно и размеры их воздействия на природную среду одинаково большие независимо от ландшафтно-климатических особенностей. Они являются результатом непреднамеренных и некоординированных воздействий населения сельских районов на природную среду.
Деградация почв и снижение биологической продуктивности — самая важная геоэкологическая проблема современности. Растущий спрос на продовольствие может быть удовлетворен двумя путями: расширением пахотных земель и интенсификацией сельского хозяйства. Но в обоих случаях неизбежно усиление геоэкологических проблем из-за ухудшения состояния земель и повышения роли минеральных удобрений.
Геоэкологические особенности энергетики
Важнейшей стороной деятельности человека являются потребление и способы производства необходимого количества энергии. Без вещества и энергии немыслимо развитие биосферы. Без использования энергии невозможны все другие виды человеческой деятельности — извлечение и переработка природных ресурсов, производство промышленной продукции, функционирование транспорта, сельскохозяйственное производство, освещение, отопление, здравоохранение и т.д. Развитие цивилизаций происходило в тесной взаимосвязи с развитием энергетики.
Первым источником энергии для любого вида деятельности человека была его мускульная сила. Изобретение способов добычи огня и его широкое применение обеспечивали человеку тепло и горячую пищу, а также производство новых материалов. В начале это была бронза, а затем железо. Использование мускульной силы домашних животных способствовало прогрессу в сельском хозяйстве, транспорте и промышленности в античное время и в средневековье. Изобретение пара явилось важным толчком для широкого развития промышленности и предопределило промышленную революцию. Новый преобразователь тепловой энергии послужил стимулом для освоения таких энергетических ресурсов, как каменный и бурый уголь, нефть и природный газ. С этого времени, т. е. с конца XIX в., началась новая эпоха использования топлива в качестве производителя энергии. Лишь во второй половине XX в. в качестве производителя энергии начали применять ядерное горючее. Общее коммерческое потребление источников энергии в мире на начало 90-х годов XX в. составило, %: нефть — 37, газ — 24, уголь — 29, атомная энергия — 7.
Общая мощность производимой в мире энергии составляет 10 ТВт, или 1012 Вт. Это количество ежегодно увеличивается. Около 90 % энергии получают в результате сжигания горючих полезных ископаемых. По-видимому, такая тенденция сохранится на ближайшие десятилетия, но количество потребляемой энергии непрерывно будет увеличиваться, что потребует существенного расширения источников производителей энергии. Скорее всего на ближайшую перспективу объем и доля атомной энергетики останутся такими же скромными. Точно такой же скромной остается и гидроэнергетика, ресурсы которой в основном оказываются исчерпанными.
Это означает, что в ближайшей перспективе станут увеличиваться преимущественно возобновляемые источники энергии. К ним относятся солнечная энергия, энергия ветра, морских приливов, динамики и термического режима вод и геотермальная энергия. Экономические и экологические затраты на производство энергии из возобновляемых источников энергии неуклонно снижаются. В настоящее время доля производства энергии из возобновляемых источников приближается к 1%.
В связи с ростом потребления энергии в последние десятилетия XX в. существенно увеличился расход горючих полезных ископаемых, а их разведанные запасы неуклонно росли. Согласно существующим оценкам, разведанных запасов нефти должно хватить на 45, угля — на 200, а природного газа — на 50 лет.
Производство и потребление основных источников тепловой энергии практически всегда сопровождаются весьма неблагоприятными последствиями для биосферы и здоровья людей. Это связано как с выбросами в атмосферу диоксидов и оксидов углерода и серы, так и с необходимостью утилизации токсичных отходов, в частности золы, возникающей при сжигании твердых горючих полезных ископаемых.
Не только возникающий дефицит в добыче горючих ископаемых и их в определенной степени ограниченность могут стать тормозом в развитии тепловой энергетики, но важную роль в ограничении производства тепловой энергии сыграет продолжающееся ухудшение состояния окружающей среды. Все это приведет к трансформации глобальной энергетической системы, в первую очередь должны будут шире использоваться возобновляемые и экологически более чистые источники энергии.
Упор в энергетике на использование горючих полезных ископаемых и чрезвычайно высокая их доля в производстве энергии предопределяют специфический набор геоэкологических проблем. Во-первых, загрязнение окружающей среды начинается с самого первого этапа, причем даже не только в период их добычи, обогащения и переработки, но и на стадии геологических поисков и разведки. Далее геоэкологические проблемы нарастают, и они связаны как с открытыми, так и с подземными разработками твердых горючих ископаемых. Весьма значительные загрязнения окружающей среды сопровождают добычу нефти и газа. Они продолжаются как на стадии транспортирования, так и в процессе переработки.
Во-вторых, загрязнение окружающей среды усиливается в результате выбросов в атмосферу различных газообразных и пылеватых частиц. Тепловая энергетика является одной из самых крупных отраслей промышленности. В России выбросы тепловой энергетики составляют 27% общего количества выбросов всей индустрии. На ее долю падает 31% выбросов твердых частиц, на диоксид серы — 42%, а на оксиды азота — 24%. Но кроме этих загрязняющих веществ в процессе сжигания горючих ископаемых в атмосферу выделяются оксиды и диоксиды углерода, играющие существенную роль в парниковом режиме планеты.
Современная ТЭЦ мощностью 100 МВт выбрасывает в атмосферу ежегодно 165 тыс. т газов и 50 тыс. т твердых частиц. Тепловое загрязнение в виде неиспользованной теплоты, выбрасываемой в атмосферу и расходуемой на обогрев прудов, составляет около 60 % производимой энергии. Это, в свою очередь, свидетельствует о низком уровне коэффициента полезного действия тепловых электростанций. Каждая ТЭЦ занимает территорию в 4 км2, не считая площади складов, подъездных путей, градирен, линий электропередач, свалок и др.
Загрязнение воздуха, производимое тепловыми станциями, неблагоприятно влияет на экосистемы и здоровье людей. Из всех используемых в тепловой энергетике горючих материалов наибольшее загрязнение, в том числе и выброс парниковых газов, производится в результате сжигания угля и наименьшее — при сжигании газа. Кислотные осадки, возникающие вследствие функционирования тепловых электростанций, наносят ущерб ландшафтам — озерам, рекам, лесам, степям, воздействуют на здания, памятники культуры. Вследствие высокого уровня выброса в атмосферу парниковых газов тепловая энергетика является одной из серьезных причин антропогенного изменения климата.
Атомные электростанции несут высокий риск ядерной катастрофы с длительным заражением окружающей среды радиоактивными изотопами. После взрыва атомного реактора на Чернобыльской АЭС радиоактивное загрязнение нанесло огромный ущерб жизни и здоровью людей, усугубило, сделав угрожающим, состояние естественных и агроэкологических систем и таким образом вывело из нормального функционирования значительные территории Украины, Белоруссии, России.
Вызывает обоснованную тревогу не только возможность аварий на АЭС, но и нерешенность до настоящего времени проблемы хранения и переработки радиоактивных отходов. Подошли контрольные сроки эксплуатации первых атомных электростанций. Морально устарели и требуют замены агрегаты и механизмы, а также сами емкости атомных реакторов. До сих пор неизвестно, что делать с радиоактивными металлическими и бетонными частями, а ведь все они подлежат консервации. Однако плохо разработана проблема их безопасного и эффективного хранения. Большая проблема связана с захоронением и переработкой ядерных отходов. Как известно, любой отход представляет собой потенциальное сырье до тех пор, пока не начата его переработка. При переработке 1 т. ядерных отходов образуются 1 т. высокоактивных, 2 т. среднеактивных и 3,5 т. низкоактивных твердых отходов, а кроме того, свыше 2500 т. жидких радиоактивных отходов. Суммарная радиация отходов после переработки отработанного ядерного топлива составляет 600 000 Кн.
Определенный геоэкологический ущерб наносят экосистемам строительство и эксплуатация гидроэлектростанций. Имеются и сугубо специфические геоэкологические проблемы. Это потери пригодных для сельскохозяйственного использования земель, уничтожение лесов, перенос населенных пунктов из зоны затопления, потери в рыбном хозяйстве. В тропических и экваториальных районах к ним добавляются вспышки ряда заболеваний, которые ассоциируются с водой (малярия, шистосоматоз, речная слепота и др.).
Строительство плотин и водохранилищ приводит к резкому сокращению твердого стока речной системы в конечный бассейн стока. Значительный объем взвешенных частиц осаждается на дно, усиливая нагрузку на слои горных пород под дном водохранилища. Это приводит к постепенному накоплению сейсмогенной энергии, которая в определенных случаях выражается локальными землетрясениями силой до 5-6 баллов по шкале Рихтера. Создание водохранилища влечет за собой усиление геоэкологической нагрузки на окружающую среду. С одной стороны, начинает меняться водная среда, в которой оказывается захоронено органическое вещество, с другой — водная поверхность существенно меняет микроклимат на территории, прилегающей к водохранилищу. При этом усиливается ветровая и водная эрозия берегов.
Магистральное направление в стратегии снижения геоэкологических проблем энергетики заключается в повышении доли возобновляемых и использовании экологически более чистых источников энергии. Длительное время предпринимаются попытки в прямом использовании солнечной энергии. Но многие из предлагаемых способов оказались не полностью оправданными с экологической точки зрения. Аккумуляторы солнечной энергии требуют размещения на значительных площадях. Используемые для выработки электроэнергии гелиоустановки, которые с помощью специальных зеркал концентрируют солнечные лучи и фокусируют их на паровые установки, в полной мере зависят от уровня облачности, высоты солнца над горизонтом и бывают эффективными только в тропических районах со значительной продолжительностью светового дня. В том случае, если в процессе получения энергии используются фотоэлектрические батареи, надо иметь в виду, что на определенных участках технологических линий возникает значительное загрязнение окружающей среды.
В настоящее время большие надежды возлагают на совершенно иное использование солнечной энергии в производстве электрической. Речь идет о специально созданных солнечных батареях, которые преобразуют солнечный свет непосредственно в электрическую энергию. Это так называемые фотоэлектрические преобразователи (ФЭП), основу которых составляют тончайшие кремниевые пластины. В середине XX в. было установлено, что чистый кремний, так же как и германий, который широко используется в солнечных батареях на космических кораблях, обладает свойствами полупроводника и может быть применен для получения солнечной энергии. Однако для этого необходимо было решить очень сложную технологическую задачу. Во-первых, кремний должен быть практически чистым (он не должен содержать примесей более чем 10-6%) и, во-вторых, металлический кремний с заданными свойствами кристалла (а выращивается он в специальных установках) должен обладать максимально большими размерами. Промышленный выпуск кремниевых пластин со временем усовершенствовался и в настоящее время созданы пластины диаметром 300—450 мм. При производстве металлургического кремния экологические проблемы постепенно решаются. В настоящее время кремниевые пластины широко используют для работы калькуляторов, компьютеров и в электротехнике. И, наверное, в скором времени, если решится проблема экономически выгодного производства широкоформатных солнечных кремниевых батарей, можно будет говорить о прямом и геоэкологически чистом использовании солнечной энергии.
Опосредованное использование солнечной энергии в виде преобразования ветра, морских течений, приливов и отливов моря, разложение биомассы также несвободны от геоэкологических обстоятельств. К примеру, ветровые установки производят шум определенного уровня, и поэтому размещаются вдали от населенных пунктов. Очень сложная техническая задача стоит перед производством электроэнергии при использовании энергии морских волн.
Использование геотермальной энергии сопровождается определенными загрязнениями воздуха, воды и почвы. Геотермальная электростанция мощностью 100 МВт выпускает в атмосферу 104—105 т газов ежегодно, загрязняет до 108 м3 воды и занимает площади около 20 км2. Для сравнения: безвредные солнечные батареи, размещенные на территории около 100 км2, полностью обеспечивают потребности в электроэнергии целого континента.
Следует обратить внимание на недостаточно эффективное использование производимой человеком электроэнергии. Более половины ее теряется из-за технических особенностей энергетических систем, особенно при передаче энергии на значительные расстояния. При этом возникают и иные проблемы геоэкологического характера. В частности, это своеобразные электромагнитные поля, возникающие вдоль ЛЭП, крайне отрицательно влияющие на здоровье человека и животных.
После двух энергетических кризисов во второй половине XX в. эффективность использования энергии в развитых странах существенно повысилась. Однако для выхода человечества из глобального геоэкологического кризиса необходимо разработать технические возможности, при которых в обозримом будущем эффективность использования энергии повысится на порядок.
Геоэкологические последствия работы промышленности и транспорта
Промышленность
Деятельность промышленности весьма разнообразна — от добычи и переработки сырья до выпуска сложнейших механизмов и машин. Геоэкологические последствия промышленного производства складываются в форме своеобразной пирамиды, которая в общем виде напоминает экологическую пирамиду. В основании пирамиды покоятся добыча и обогащение сырья, основу которого составляет минеральное сырье. Известно, что в зависимости от содержания полезного компонента часть добываемой руды идет в отвалы в виде пустой породы, грунта, нестандартной древесины, руды с низкими концентрациями полезного минерала. Это составляет иногда около 95 % добываемого сырья. Часть сырья, идущего в отвалы до того, как будут разработаны соответствующие технологии обогащения, оказывается в форме пустой породы. Однако, как известно, с развитием технологий некоторая часть пустой породы вновь становится объектом добычи и соответствующей переработки.
Часть добываемого сырья проходит стадию обогащения, так как промышленные предприятия в состоянии принять на переработку только сырье определенного качества. Менее 10% сырья достигает следующей стадии — стадии переработки. На ранних стадиях металлургического производства получают промежуточную продукцию: железо, чугун, низкосортную сталь, прокат. Подобную раннюю стадию имеют не только металлургические предприятия, но и предприятия нефтехимической и химической промышленности, предприятия лесотехнического комплекса (предприятия по производству деловой древесины, целлюлозы и др.).
В машиностроении и на предприятиях легкой промышленности из переработанного сырья производят разнообразные механизмы, машины и предметы потребления. На этой стадии доля полезного продукта от исходного количества сырья еще более сокращается.
На самом верху производственно-экономической пирамиды находится высшая стадия промышленного производства — высокоточная индустрия нанотехнологии. Она производит аппараты электроники, микроэлектроники и прецизионного машиностроения, композитные материалы, продукты биотехнологии, товары и продукты, которые могут быть объединены под названием «продукты высокой технологии». На этой завершающей стадии производства объем используемых материалов сокращается до минимума, но возрастают капиталовложения в высокую квалификацию персонала, передовые (новейшие) технологии и дорогостоящие комплектующие.
Стадия высокой технологии является результатом современной научно-технической революции. Ее развитие невозможно без существования других вышеперечисленных стадий, которые подготавливают сырье к этой стадии: невозможно без металла, а значит, без существования добывающих и металлургических предприятий.
Геоэкологические воздействия промышленности охватывают всю технологическую цепочку, начиная от добычи сырья и первичной его обработки через процессы производства и заканчивая выпуском конечного продукта, причем на каждой стадии необходима организация размещения и переработки отходов.
Промышленность — весьма важный, если не основной потребитель природных ресурсов, в число которых входят металлические и неметаллические, а также горючие полезные ископаемые, продуктов сельскохозяйственного производства, энергии различных видов. В результате работы промышленности возникает необходимость в запланированных и неожиданных (залповых) сбросах вредных газов, твердых отходов и разнообразных жидких стоков. Это может произойти на любой стадии и в процессе любого вида производства. При этом надо учитывать, что некоторые отходы и даже сами продукты производства промышленности являются токсичными и наносят значительный ущерб здоровью человека и окружающей среде.
При работе промышленности возникает множество геоэкологических опасностей и даже существует риск развития крупнейших экологических катастроф.
Для борьбы с неблагоприятными геоэкологическими последствиями промышленного производства существуют два принципиальных подхода: управление загрязнениями на конечной стадии производства; системная перестройка производственного цикла.
Переработка загрязнений на конечной стадии производства не сокращает массу загрязнителей. При этом отходы после их обработки смещаются из одной среды в другую, более удобную для данного технологического цикла, например из воздуха в воду или почву. Такой подход, хотя и приемлемый как временная мера, в долгосрочном плане нежелателен, поскольку не решает возникающих геоэкологических проблем.
Второй принципиальный подход в качестве долгосрочной меры предусматривает разработку полностью замкнутой системы производства. В большинстве случаев использование замкнутых циклов при современном уровне развития технологии и капиталовложений не может дать 100%-го эффекта. Для этого существует три подхода: экономия сырья, материалов и энергии; увеличение степени использования промышленного продукта; полное извлечение полезных продуктов из промышленных отходов.
Транспорт
Работа транспорта играет важнейшую роль в экономике и жизнедеятельности людей. Транспорт — важнейший компонент общественного и экономического развития, поглощающий значительное количество ресурсов и оказывающий значительное влияние на окружающую среду. Виды транспортных услуг и их объем непрерывно растут. На смену устаревшим видам транспорта приходят новые. Но при этом остаются страны и районы, где в качестве транспорта используют тягловую силу животных, велосипед И др. Все шире применяют для перевозки грузов и пассажиров автотранспорт. Этому способствует усиленный рост скоростных и хорошо оборудованных транспортных магистралей. Около 50% добываемой нефти используется для автомобильного транспорта, рост которого опережает темп роста населения.
Вместе с тем транспорт оказывается важным неблагоприятным фактором, воздействующим на состояние окружающей среды. Он загрязняет токсичными веществами воздух и воду, создает шум и вибрацию, поглощает большую площадь земельных ресурсов для создания магистралей, мест стоянок, трубопроводов, складов, вокзалов, морских и воздушных портов. При оценке геоэкологической нагрузки транспорта надо учитывать не только приносимую им пользу, но и ущерб, наносимый в результате расходования как для его производства сырья и материалов, так и для создания элементов транспортной инфраструктуры.
Загрязнение воздуха — самая серьезная и опасная геоэкологическая проблема, связанная с транспортом. В Москве эмиссия выхлопных газов автомобилей составляет не менее 70 % всего загрязнения воздуха.
Высокая степень урбанизации оказывает огромное геоэкологическое воздействие на природную среду. В зависимости от численности населения города делятся на малые, средние, мегаполисы и конурбации. Города являются основными источниками загрязнения природных вод и атмосферы. Вблизи городов создаются бытовые и промышленные свалки, загрязняющие среду. Управление водными ресурсами основывается на регламентации качества питьевой воды и экономном расходовании воды для хозяйственных и промышленных целей. Большое значение придается химической и биологической очистке сточных вод. Управление геологической средой необходимо для прогнозирования состояния эндо- и экзодинамики, рационального использования наземного и подземного геологического пространства и управления деятельностью горно-рудных предприятий. Большой экологический эффект имеет правильное использование подземного пространства и управление отходами. Огромный геоэкологический эффект оказывают сельское хозяйство, энергетика, промышленность и транспорт.