CC BY
24
Л .А. Пучков, член-корреспондент РАН,
А.Е. Воробьев, член-корреспондент РАЕН Московский государственный горный университет
ПЕРСПЕКТИВЫ ВЛИЯНИЯ ГОРНОПРОМЫШЛЕННОГО КОМПЛЕКСА НА ЭВОЛЮЦИЮ БИОСФЕРЫ ЗЕМЛИ*
В ХХГ век человечество входит с рядом нерешенных, но весьма актуальных задач. Одной из них является исследование и прогнозирование эволюции биосферы Земли [2, 5], всестороннее изучение которых позволит выработать стратегию будущего устойчивого развития человечества.
Несмотря на существующую тенденцию к ограничению вредного воздействия на биосферу (увеличение степени очистки сбросов и выбросов, сокращение загрязняющих источников и т.д.), кардинального улучшения имеющейся негативной ситуации пока не предвидится. Это объясняется энтропийными процессами природного рассеивания сконцентрированного человеком вещества, полученного в несоответствующих природе формах и количествах (несмотря на четко выраженную в целом окислительную обстановку земной поверхности многие металлы переводятся в восстановленное состояние и используют в рафинированном виде). И если человечество наконец полностью решит проблему загрязнения биосферы на стадии производства необходимых для его жизнедеятельности продуктов, то такая же острая проблема все еще пока неизбежна на стадии их потребления. По этому необходима принципиально новая стратегия охраны биосферы.
Живые организмы материально и энергетически связаны с неорганической средой других сфер. Так, растения существуют только за счет поступления в них уг-
лекислого газа, воды, кислорода, минеральных солей и энергии. Возврат биогенных элементов (в течение жизни и смерти организмов) образует круговорот одновременно в органической и неорганической средах. До вмешательства в биосферу промышленных или сельскохозяйственных технологий такой круговорот атомов осуществлялся гармонично, подчиняясь единым энергетическим законам, управляясь совместным действием биологических и геохимических факторов.
Выбросы, например, активных газов-загрязнителей (хлора, фтора и их соединений, двуокиси серы, окиси углерода, углеводородов и т.п.) из природных источников при активном участии солнечной радиации, растительности суши и фитопланктона Мирового океана, тысячелетиями не приводили к катастрофическому нарушению содержания в атмосфере важных для жизнедеятельности биосферы газов -кислорода, озона (в защитном слое) и т.п. В таких условиях объем потребления и образования кислорода оставался практически неизменным, а возникающие выбросы опасных для окружающей среды газов (даже при крупных и катастрофических вулканических извержениях) разрушались в нижних и верхних слоях атмосферы, а получаемые продукты усваивались при дальнейших биосферных процессах.
Процессы возникающие под техногенным воздействием отличаются от при-
* Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ, грант 96-15-97109
родных в качественном и количественном отношениях. Качественные отличия заключаются в синтезе чуждых биосфере соединений (кирпича, фарфора, пластмасс, бензина, новых элементов, изотопов и др.) или их концентрациях (создание изделий из металлического железа, алюминия, марганца, никеля и т.д.). По характеру и направленности антропогенные воздействия также могут не соответствовать природным условиям территории (например, возникновение местных техногенных землетрясений, вызванных добычей нефти, строительством искусственных водоемов, ведением крупных массовых взрывов в несейсмической зоне и т.д.) [9]. Количественные особенности заключаются в более значительных объемах, скорости и интенсивности поступления элементов (для большинства источников) [8].
В настоящее время мировое хозяйство только в атмосферу ежегодно выбрасывает более 250 млн т мелкодисперсных аэрозолей, около 200 млн т оксида углерода, 150 млн т диоксида серы, 120 млн т золы, более 50 млн т углеводородов, значительное количество фтористых соединений, ртути и других токсичных веществ [1, 3, 6]. По данным ООН, ежегодно в атмосферу нашей планеты выбрасывается 2,5 млрд т пыли, 1,2 млрд т оксидов азота и т.д.
В этой связи естественный круговорот в биосфере часто просто не успевает за техногенными выбросами. Только за счет сжигания угля в энергетических установках в окружающую среду поступает ртути в 8700, мышьяка в 125, урана в 60, кадмия в 40, бериллия и циркония в 10, олова и ванадия в 4 раза больше, чем их вовлекается в природный биогеохимический круговорот Земли. Следовательно, нужно упорядочить соотношение поступающих веществ с возможностью биогеохимического круговорота. Причем последний - это не просто продуктивность живого вещества и использо-
вание им разнообразных химических элементов и соединений. Во многом биогеохимический круговорот атомов обязан элементам - производным от функционирования живых организмов (прежде всего это кислород и углекислый газ).
Основным направлением разработанной авторами в МГТУ стратегии служит количественный и качественный учет элементов, поступающих в биогеохимический круговорот атомов, и создание оптимальных их соотношений. Зная величины природных (естественных) круговоротов и объемы поступления в результате антропогенной деятельности различных элементов можно спрогнозировать количество вещества, необходимое для полноценного осуществления современного круговорота. Другими словами, нужно изменить возникший в антропогенную эру дисбаланс элементов в круговоротах биосферы. И если мы не можем полностью предотвратить имеющееся рассеяние вещества, то на современном уровне развития человечество уже способно к целенаправленному включению в круговорот дополнительных объемов необходимых элементов.
По укрупненным оценкам общая масса живого вещества (в сухом виде составляющая 2-4-10 г) в миллиард раз меньше массы Земли (5,98-10 г). Но если
учесть, что обновление живого вещества на Земле происходит непрерывно в течение всей ее геологической истории (в среднем раз в 8 лет: фитомассы суши - примерно за 15 лет, а фитомассы океана - за 1 день, а вся биомасса океана обновляется за 33 дня), то общая масса живого вещества, образованного за всю историю Земли (6,5* 10 г) даже превышает массу планеты.
В результате биосфера создала на Земле систему, в которой поток атомов образует круговорот одновременно в органической и неорганической средах (табл. 1). Отсюда ясна та гигантская работа, которую
б
осуществляет биота по преобразованию исходной среды. Благодаря непрерывному обмену веществом между биосферой и литосферой все элементы земной коры уже неоднократно входили в состав живого вещества непосредственно или участвовали в круговороте косвенно.
Таблица 1
Состав, масса и ежегодная продукция живого вещества биосферы [4]
Химический элемент Содержание, % (по массе) Масса, т Ежегодная продукция, т/год
О 70,0 4,5-Ю12 2,6-Ю13
с 18,0 1,3-Ю12 3,1-Ю10
Н 10,5 6,7-10п 1,6 Ю10
Са 0,5 3,2-Ю10 н.д.
N 0,3 1,9-ДО50 2,5-Ю10
К 0,3 1,9-Ш10 Н.д.
& 0,2 1,3-Ю50 Н.д.
Р 0,07 4,5-Ю9 5,6-Ю8
5 0,05 3,2-109 н.д.
ме 0,04 2,6-109 н.д.
Ыа 0,02 1,3-Ю9 н.д.
С! 0,02 1,3-ю9 н.д.
Ре 0,01 6,5-10* 8,0-Ю7
А1 0,005 3,2-108 1,Ы08
Аг 0,002 1,3-Ю8 н.д.
Мп 0,001 6,5-Ю7 6,0-107
В 0,001 6,5-107 н.д.
Ті 0,0008 5,1-Ю7 8,0-106
¥ 0,0005 3,2-107 н.д.
гп 0,0005 3,2-107 7,2- 10б
, ЯЬ 0,0005 3,2-107 00 о »—■ о
Си 0,0002 1,3*107 1,6-10б
Вг 0,00015 9,6-106 н.д.
.№ 0,00005 3,2* Юб 4,0-105
РЬ 0,00005 3,2-106 8,0-104
Аб 0,00003 1,9-106 2,4-Ю3
Со 0,00002 1,3-Ю6 1,2-Ю5
Мо 0,00001 6,4-105 1,6-105
и 0,00001 6,4-105 8,3-104
V 0,00001 6,4-105 н.д.
С5 0,00001 6,4-105 Н.д.
Круговорот кислорода. В атмосфере Земли кислород содержится в виде С>2,
СС>2, О3, в воде - в растворенном состоянии (как газ) и в соединении с водородом (Н2О), в литосфере - в форме различных оксидов (РезОз, №20, $Ю2, К2О и
т.д.) и солей (СаСОз и др.)
В природном биогеохимическом круговороте участвует в основном атмосферный кислород. Его образование в свободном состоянии происходит, главным образом, в результате фотосинтеза растений, а потребление - в ходе дыхания, реакции окисления (в том числе сжигания топлива) и других химических преобразований. Так, за всю историю человеческой деятельности на сжигание добытой нефти, каменного угля, газа, дров и древесных углей, а также на лесные пожары было израсходовано около 274*10 кг кислорода (причем примерно 246-10 кг - за последние 50 лет). Это означает, что убыль свободного кислорода в природе за все время существования человека равна 0,0182%. Израсходованный кислород перешел в связанную форму. Часть его соединилась с углеродом и образовался углекислый газ, а часть - с водородом и возвратилась в атмосферу в виде водяного^ пара (это прибавило в атмосферу 288-10 кг водяного пара и увеличило его содержание в воздухе на 12%).
В настоящее время во всем мире ежегодно на сжигание топлива затрачивается около 10 кг свободного кислорода атмосферы. Общее количество свободного кислорода Земли (накопленного за время существования растительности) оценивается количеством 1,18-10 т. Время полного круговорот а кислорода составляет примерно 2500 лет. Сейчас свободный кислород образуется со скоростью приблизительно 1,55*10 т/г^>д, а расходуется со скоростью около 2,16 т/год [4]. Таким образом, расход кислорода в техногенную эру - больше его поступления в атмосферу от природных источников.
Для пополнения исходного содержания кислорода в атмосфере необходим новый (дополнительный) его источник. Самый большой запас кислорода находится в виде углекислого кальция осадочных пород, но за исключением небольшого количества, освобождаемого в результате вулканической деятельности» в этом виде (по причине нахождения в литосфере, а не на земной поверхности) он недоступен живым организмам. В этой связи роль горнопромышленного комплекса, как регулятора поступления подобных пород, а следовательно, и кислорода в биосферу, существенно повышается.
Круговорот углерода. Биогеохими-ческий круговорот углерода проще круговорота кислорода, т.к. в нем участвуют только органические соединения и диоксид углерода. Основная масса углерода аккумулирована в карбонатных отложениях дна океана (1,3^ 10 т), в кристаллических породах (М0 т), каменном угле и нефти
(0,34*10 т). В атмосфере углекислого газа сравнительно немного (1,3*10 т) - менее 1/10000 общего его запаса. Ассимилированный в результате фотосинтеза углерод включается в углеводы, а в процессе дыхания - превращается в диоксид.
Биологический круговорот углерода протекает по схеме, биоассимиляция углерода из атмосферы, водной среды или литосферы растениями —> потребление органических соединений животными -» окисление органических веществ до углекислого газа в процессе дыхания и разложения отходов -> возврат углекислого газа в атмогидро- и литосферу. В наземных экосистемах в круговорот ежегодно вовлекается 12% содержащегося в атмосфере углекислого газа. Время перераспределения атмосферного углерода равно примерно восьми годам. В связи с этим система круговорота атмосферного углерода значительно более чувствительна к внешним воздействиям,
чем у кислорода. С середины XIX века за счет сжигания топлива процесс перехода углекислого газа в атмосферу резко ускорился. В результате его содержание в атмосфере увеличилось на 22% и продолжает постоянно расти.
Баланс СО2 по планете составляет (п-10 т углерода):
индустриальные выбросы +5,26;
вырубка лесов +1,60;
эрозия почв +1,85;
поглощение биосферой -4,80;
поглощение океаном -1,10;
остается в атмосфере 2,81.
В результате в атмосфере остается около 53% от индустриальных выбросов С02.
Изучение зональности в концентрациях СО2 в биосфере показало, что уменьшение ее содержания происходит в широтах, расположенных ближе к экватору, а в умеренных и высоких широтах оно увеличивается.
Круговорот азота. Азот является одним из главных биогенных элементов. Основным резервуаром газообразного азота служит атмосфера (где он составляет 78% объема воздуха). Однако, в отличие от углекислого газа, круговорот азота связан с рядом особенностей. Во-первых, усваивать азот из воздуха могут только отдельные виды, так называемых азотофиксирующих организмов (сине-зеленые водоросли и симбиотические бактерии). Во-вторых, являясь химически инертным, азот не принимает участи в окислительных процессах, т.к. только входит в состав белков и нуклеиновых кислот. В-третьих, разложение азотсодержащих веществ с выделением газообразного азота осуществляется, как правило, с помощью ряда специализированных микроорганизмов. В связи с этим, большая часть биохимических превращений азота происходит в почве, где его освоение растениями облегчается предвари-
тельным растворением. Содержание азота в тканях живых организмов составляет около 3%. В окружающую среду органический азот попадает в виде аминогрупп N112 СО(Ы 112)2 При его недостатке в почве бактерии используют азот нитратов и нитритов. В процессе денитрификации азот переводится в газообразное состояние и частично фиксируется растениями, а остальной его объем попадает в виде свободного газа в атмосферу.
В естественных условиях процессы связывания и освобождения азота уравновешивают друг друга. Искусственное же внесение азота с удобрениями нарушило это равновесие, т.к. достигло 30 млн т/год и сравнялось с естественным потоком азота и биосфере, что привело к избытку азота в некоторых почвах и водоемах.
При составлении баланса элементов в биогеохимических круговоротах Земли (природных и техногенных) необходимо учитывать ландшафтно-геохимические особенности территорий, обуславливающие различную величину вовлекаемых в оборот веществ [7]. Разные зоны земной поверхности обладают неодинаковой биологической продуктивностью, и, следовательно, различной работой по преобразованию прилегающих сред. Так, биомасса почвенных животных всей биосферы составляет около 500 млн т; общая биомасса остальных животных суши меньше на 1-2 порядка. Биомасса океана состоит из 300 млн т растительного вещества и 6 млрд т зоопланктона и бентоса в сухом виде [1, 6]. Поэтому наибольшей продуктивностью обладают пойменные сгущения жизни: при площади меньше 1% они производят коло 10% живого вещества суши. Биота океана по массе составляет менее 0,2% от биоты суши, однако их продуктивность совпадает (примерно 6*10*6 г углерода в год).
Подобный дифференцированный подход к ранжированию различных терри-
торий, в сочетании с рассчитанными объемами биогеохимического круговорота атомов, формами вступающих в взаимодействие и реакции элементов и получающихся продуктов, позволяет осуществить теоретическое обоснование корректировки современных круговоротов. И если горнопромышленный комплекс традиционно рассматривался как источник получения сырья для удовлетворения потребностей человечества в разнообразных продуктах, обладающий к тому же негативной функцией существенного загрязнения биосферы различными отходами, то в современных условиях он должен выполнять и функцию поставщика необходимых элементов, их форм и объемов, для регулирования планетарного круговорота атомов. Это межгосударственная проблема, решение которой находится в области выдачи и реализации соответствующих квот.
Помимо оптимального соотношения реагирующих элементов важным регулирующим фактором осуществления глобального био геохимического круговорота атомов является величина необходимой для этого энергии. Поток солнечной радиации и тепло земных недр обусловили параметры исходного (естественного) круговорота. Существующее, в результате парникового эффекта, повышение температуры атмосферы может послужить дополнительным источником энергии для скорректированного круговорота элементов.
Одновременно будет решена и проблема нивелирования теплового воздействия на биосферу. В настоящее время считается, что предел получения и использования энергии минеральных носителей составляет не более 1% общей мощности солнечной энергии, поступающей на Землю, т.е. около 100 млрд кВт. Сейчас земная цивилизация производит добавляемой энергии примерно 10 млрд кВт с ежегодным приростом в пределах 3%. Следова-
тельно, "тепловой" барьер может быть достигнут всего за 75 лет.
Стратегия коррекции природного био геохимического круговорота атомов также позволит решить и вопрос парникового эффекта, существование которого при осуществлении традиционной концепции взаимодействия человечества с биосферой, неотвратимо. Во-первых, исходя из ежегодного прироста СС>2 равного примерно 20-10 г среднее его содержание в атмосфере в ближайшее достигнет величины 0,2%. Во-вторых, на величину парникового эффекта влияет концентрация разнообразных газов (метана, бензопирена, формальдегида, сероуглерода, фтор-хлор-углерода, оксидов азота). И если человечество даже утилизирует весь метан, выделяющийся из угля [10], сельского хозяйства и т.д., то образующийся при этом СС>2 будет продолжать способствовать повышению температуры.
С другой стороны, подобное ком-плексирование глобальных источников энергии (солнечной, радиоактивного распада и техногенных) позволит изменить ско- ^ рость естественного круговорота элементов, вплоть до ее соответствования скорости техногенного поступления веществ в биосферу
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Алборов И.Д., Голик В.И., Цгоев Т.Ф., Воробьев А.Е. и др. Экология промышленного производства. Владикавказ, РУХС, 1996, 343 с.
2. Будыко М.И. Эволюция биосферы. Л., Гидрометиздат. 1984,
3. Воробьев А.Е., Балашова С.П. Прогноз регионального загрязнения - возможности и перспективы // Информационное Экологические агентство (ИнЭкА). - Новокузнецк: ЭКО. - N3, 1996. - с. 7-8.
4. Горная энциклопедий т. 1) М., Советская энциклопедия, 1984.
5. Науки о Земле: состояние, приоритетные направления развития. М., ИПКОН РАН, 1996, 113 с.
6. Круговорот вещества в природе и его изменение хозяйственной деятельностью человека. М., 1980.
7. Перельман А.И., Воробьев А.Е. Геохимия ландшафта и горная наука // В сб. : Горное производство и наука на рубеже веков. Вестник горно-металлургической секции (Отделение горных наук) -М.: АЕН, 1996.-с. 47-55.
8. Перельман А.И., Воробьев А.Е. Параметры самоорганизации природных геохимических ландшафтов // Известия РАН, серия география, N5, 1996.-е. 7-20,
9. Хабиров В.В., Воробьев А.Е. Теоретические основы развития горнодобывающих и перерабатывающих производств Кыргызстана / Под ред,
] акад. Н.П. Лаверова. - М.: Недра, 1993. - 316 с.
10. Пучков Л.А., Каледина Н.О. Динамика метана в выработанных пространствах шахт. М., МГГУ, 1995.
© Л.А. Пучков, А.Е. Воробьев
