Х.1. Природно-техногенные системы

В результате деятельности человека за всю историю его существования, и в особенности за последние 100 лет, на Земле сформировались такие системы, в которых большую, если не определяющую, роль играют не только естественные, но и техногенные процессы. Эти системы можно назвать природно-техногенными. К ним относятся разнообразные городские и сельские поселения, сельскохозяйственные системы, отдельные промышленные предприятия и индустриальные зоны, транспорт и транспортные коммуникации, энергетические системы, горнорудные предприятия вместе с зонами их влияния, рекреационные системы и др.

Природно-техногенные системы (ПТС) существенно преобразовали ту природу, которая была до появления человека. Уже в древнем Риме горно-промышленные предприятия заметно влияли на состояние окружающей среды. Несмотря на то что ПТС и сейчас обычно занимают относительно небольшую площадь, их влияние на экосферу и ее составные части весьма велико.

Природно-техногенные системы отличаются двойственностью, как это видно из самого термина. С одной стороны, первоначальные природные их особенности в значительной степени изменены и состояние ПТС определяется антропогенной нагрузкой на них. С другой стороны, основные особенности их функционирования во многом зависят от природных условий, в которых эти системы размещаются. Основные компоненты ландшафта, такие как рельеф, геологическое строение, климат и до некоторой степени природные воды, сохраняют свои основные особенности и в пределах ПТС, оказывая решающее влияние на состояние природно-техногенной системы. Даже в больших и древних городах (как, например, в Москве), несмотря на продолжительную и интенсивную антропогенную нагрузку, первоначальные естественные черты просвечивают сквозь позднейшие антропогенные наслоения.

Геоэкологические проблемы природно-техногенных систем также двойственны. Они несут в себе как антропогенные, так и естественные черты. В самом деле, многие геоэкологические проблемы горно-промышленных городов похожи, потому что тип производства, характер и уровни загрязнения среды подобны. Но они в то же время могут весьма сильно различаться друг от друга, потому что их природные условия (геолого-геоморфологические и гидроклиматические) могут быть столь же различны, сколь различаются, например, Кольский полуостров и юго-восточная Бразилия.

Отличительная особенность геоэкологического взгляда на ПТС заключается в том, что главным объектом геоэкологии является исследование взаимосвязей между собственно технической системой и пронизывающей ее природой, в то время как анализ экологических процессов на предприятии (транспортной системе, населенном пункте, сельскохозяйственном поле и пр.) относится к инженерии, агрономии, архитектуре и другим прикладным областям знания. Объектом геоэкологии может быть взаимодействие нефтепроводов и окружающей среды в Аравийской пустыне или Сибирской заболоченной лесотундре на вечной мерзлоте, тогда как вопросы функционирования механизмов и инженерных систем в этих специфических природных условиях относятся к категории инженерной экологии. Однако четкую границу между инженерной экологией и геоэкологией природнотехногенных систем провести затруднительно.

Вследствие острой практической необходимости, прикладная экология развивается интенсивно во многих отраслях прикладных наук. Чаще всего ее обозначают на русском языке термином «инженерная экология». Для желающих познакомиться более детально с этим разделом знания, в том числе с принятыми в нашей стране экологическими стандартами и нормативами, имеется ряд публикаций

В Части IV очень кратко рассматриваются основные геоэкологические особенности и проблемы важнейших типов ПТС. При этом неизбежно некоторое повторение излагаемого ранее материала, поскольку в соответствующих разделах, но под другим углом зрения, уже обсуждались такие вопросы, как геоэкологические аспекты урбанизации, энергетики, интенсивного сельского хозяйства, промышленности, транспорта и другие.

 

X.2. Геоэкологические аспекты урбанизации

Одна из важнейших общемировых проблем – урбанизация, или быстрый рост городов и городского населения. Этот процесс относится к категории важнейших глобальных изменений. В 1996 г. городское население составляло 2,64 млрд чел., или почти половина всего населения мира. На фоне общего роста численности населения мира городское население за 1990–1995 гг. увеличивалось со скоростью 2,5 % за год, тогда как сельское – всего лишь 0,8 %. Ежедневно к городскому населению развивающихся стран мира добавляется около 150 тыс. чел.

Основные непосредственные причины роста численности городского населения: а) миграции людей в города из сельской местности, а также и из других стран и б) прирост населения в городах благодаря превышению рождаемости городского населения над его смертностью.

Рост численности городского населения в недавнем прошлом и на ближайшую перспективу столь же впечатляющий (табл. 18.).

Таблица 18

Рост городского населения мира

Всего лишь три десятилетия тому назад около трети населения мира жила в городах. В десятилетие после 2000 г. больше половины населения станет городским, а к 2025 г. городское население составит почти две трети от мирового.

В ныне развитых странах заметный прирост доли городского населения отмечался приблизительно столетие тому назад. За время текущего пятидесятилетия (1975–2025 гг.) доля городского населения увеличивается уже незначительно, приближаясь к верхнему пределу переходной (логистической) кривой. Но зато около 90 % прироста численности городского населения происходит за счет развивающихся стран. Жители Африки и Азии, лишь третья часть которых живет сейчас в городах, к 2025 г. также перейдут отметку в 50 %. С абсолютным преобладанием городского населения на всех континентах экосфера в целом станет другой, с относительно редким сельским населением и многочисленными городами различных размеров, включая сверхкрупные, так называемые мегаполисы. Понимание этого переходного процесса в экосфере в его взаимосвязи с деятельностью общества – одна из важнейших проблем геоэкологии как междисциплинарного направления.

Величины прироста городского населения очень сильно изменяются от города к городу и от страны к стране. Наивысшие показатели, равные примерно 5 % в год, характерны для беднейших, наименее развитых стран. В некоторых государствах (Буркина-Фасо, Мозамбик, Непал, Афганистан и др.) прирост городского населения достигал даже 7 %. Напомним, что при таком показателе численность населения города удваивается всего лишь за 10 лет!

Вследствие очень большого числа населения развивающихся стран даже небольшое увеличение показателя прироста (в %%) означает значительное приращение численности.

Городское население растет не только в развивающихся странах, если имеются особые причины для его роста. Регионом со значительным современным ростом населения городов вследствие благоприятной экономической конъюнктуры на фоне мягкого климата является, например, Северо-Запад США (штаты Вашингтон, Орегон и частично Калифорния), где он обусловлен как миграцией из других районов США, так и иммиграцией из других стран бассейна Тихого океана. Текущий ежегодный прирост числа жителей региона достигает здесь 12 % (1990-е гг.)!

Чрезвычайным, хотя и все более типичным, явлением становятся крупнейшие города (мегаполисы). Фактически во всех этих случаях мы имеем дело не с одним сверхкрупным городом, а с агломерацией городов и других населенных пунктов. Если принять за нижний уровень сверхгорода скопления населения численностью от 8 млн чел., то в 1950 г. в мире было всего два таких мегаполиса – это был Нью-Йорк с населением 12,3 млн и Лондон с 8,7 млн чел. К 1990 г. их стало 21, причем 16 – в развивающихся странах. К 2015 г. ожидается 33 мегаполиса, в том числе 27 – в развивающихся странах.

Крупнейшие города мира, млн чел.

Разумеется, численность города зависит также от административного решения по выбору его границ. Например, Париж и Москва в основном ограничены кольцевой дорогой, хотя городские кварталы продолжаются и за кольцевой, в то время как Токио включает значительные города, фактически слившиеся со столицей.

Вследствие чрезвычайной геоэкологической важности и специфичности мегаполисов, приведем список тридцати наиболее крупных городов мира по состоянию на 1995 г. Эти сверхгорода и прилегающие к ним территории подвергаются значительной антропогенной нагрузке, во многих случаях в течение столетий. Степень техногенности этих территориальных систем чрезвычайно высока, а условия жизни во многих из них попросту бесчеловечны.

Помимо отдельных сверхкрупных городов возникли и так называемые конурбации, или скопления городов. В Японии на о. Хонсю городская застройка протягивается практически без перерывов от Токио до Осаки, более чем на 500 км, включая, помимо указанных городов, и крупнейший порт страны, и важный промышленный центр Нагоя, а также и другие города. На восточном побережье США конурбация захватывает не менее значительную полосу городов от Вашингтона до Бостона и включает Нью-Йорк, Филадельфию, Балтимор и др. Более подробные сведения о крупнейших конурбациях мира приводятся в прилагаемой сводке (табл. 19).

Многие города среднего размера растут быстрее, чем мегаполисы, со скоростью, заметно превышающей 5 % в год. В результате возникает весьма много городов с населением между 1 и 10 млн чел. Ожидается, что к 2015 г. в мире будет 516 таких городов по сравнению с 270 в 1990 г. Небольшие города, в которых живет около половины всего городского населения мира, также очень быстро растут. В этих городах в большей степени ощущается недостаток финансирования экологических систем и услуг, потому что во многих странах основные средства направляются в столицы и другие крупные города.

Степень антропогенных преобразований городских территорий, в особенности мегаполисов, чрезвычайно высока. Природные городские ландшафты весьма примитивны. Это парки и скверы, редко леса антропогенного происхождения и побережья морей и рек. Из фауны сохранились отдельные виды птиц и животных в очень простых и неустойчивых экосистемах. Широко встречаются немногие, толерантные к человеку виды, паразитирующие на отходах деятельности человека. Это крысы, вороны, тараканы и пр. Лишь литогенная основа остается наименее трансформированной да климат изменяется в значительно меньшей степени, чем биогенные компоненты.

Ландшафты крупных городов не могут сохраняться устойчивыми без поддержки человека. Заброшенные или малоухоженные кварталы мегаполисов представляют собой наихудший вид антропогенной пустыни.

Таблица 19

Крупнейшие конурбации мира

Природные условия, в которых города находятся, во многом предопределяют их геоэкологические проблемы. Загрязнение воздуха, характерное в зимнее время года для городов Средней Европы, Сибири, Северо-Восточного Китая, возникает благодаря инверсии температуры, вызывающей устойчивую стратификацию воздуха. Низкокачественный уголь, используемый для отопления во многих местах этих районов и выделяющий при сжигании большое количество загрязнителей воздуха, вносит свой вклад в эту проблему. Весьма высокое загрязнение воздуха в таких городах, как Лос-Анджелес, Мехико и Сантьяго, связано не только с большим количеством автомобилей в условиях инверсии температуры, но и вследствие расположения этих городов в межгорных котловинах, благоприятных для развития инверсий.

В городах умеренного пояса практически не встречается малярия не потому, что они располагаются в относительно богатых странах с высокими расходами на здравоохранение, а благодаря относительно прохладному климату, в котором возбудитель малярии не в состоянии пройти полный цикл развития.

В Джакарте природные условия города предопределяют ряд серьезных геоэкологических проблем, в том числе проблемы качества воды. Равнинный рельеф предопределил выбор канализационной системы города, представляющей сеть открытых коллекторов, собирающих неочищенные бытовые стоки. Эта система была эффективной, когда ее построили для населения города, не превышающего полмиллиона человек. В настоящее время она не может справиться с продуктами жизнедеятельности городского населения численностью 11,5 млн человек. Загрязнения поступают не только в поверхностные, но и в подземные воды и являются серьезной опасностью при водоснабжении. Диарея, возникающая, в частности, вследствие употребления загрязненной воды, является в Джакарте причиной 20 % случаев смерти детей в возрасте до пяти лет.

Плотность населения городов – весьма репрезентативный показатель степени антропогенной нагрузки, хотя она изменяется весьма сильно в зависимости от имущественного уровня, месторасположения, традиций, транспортных и других условий. В некоторых районах Шанхая и Калькутты плотность составляет 800-1000 чел/га, что можно сравнить с густотой заселения квартир и домов в богатых странах. Плотность населения Бангкока и Сеула также весьма высока и составляет 300–400 чел./га.

С другой стороны, этот показатель для городов США обычно равен 70 чел./га и менее.

Большие города, как гигантские агломерации, так и менее крупные города-«миллионеры», – это зоны экологического бедствия различного вида и напряженности.

Геоэкологические аспекты урбанизации весьма различны в развитых и развивающихся странах. Чрезвычайно быстрый рост городов беднейших стран приводит к резко усиливающемуся давлению на окружающую среду. К тому же все системы жизнеобеспечения, без которых город не может существовать, оказываются перегруженными, а их рост не поспевает за приростом населения. К ним относятся системы водоснабжения, канализации, сбора и переработки мусора, снабжения электроэнергией и пр., а также системы образования, медицинской помощи и социального обеспечения. В результате создается обстановка, опасная для жизни и здоровья жителей городов. По крайней мере, 220 млн жителей городов не имеют источников пригодной питьевой воды. Более чем 420 млн чел., живущих в городах, не имеют доступа даже к простейшим туалетам. От 30 до 65 % городского мусора не убирается. Он постепенно накапливается, в особености в зонах, где проживает самое бедное население. Такое зоны мало напоминают город, но именно на таких территориях проживает значительная часть населения, которое лишь условно можно назвать городским.

В развитых странах некоторые важные геоэкологические проблемы городов в той или иной степени решены. Например, во многих городах за последние десятилетия улучшилось качество воздуха и воды. В Токио в 1960-х гг. полицейские, управлявшие уличным движением, нуждались в кислородных масках. Сейчас состояние воздуха стало значительно лучше.

Городские системы потребляют, перерабатывают и превращают в отходы значительную массу воды, продовольствия и топлива (рис. 22). При этом города развитых стран отличаются повышенным потреблением всех услуг систем жизнеобеспечения. Среднестатистический житель Нью-Йорка потребляет втрое больше воды и производит в восемь раз больше мусора, чем житель Бомбея. Точно так же и уровень потребления услуг городских систем жизнеобеспечения в различных районах в пределах одного города резко различается в зависимости от уровня благосостояния его жителей. В этом отношении невозможно сравнить, например, находящиеся в одном и том же городе Рио-де-Жанейро поселения на склонах холмов («фавелы») и кварталы вдоль роскошных пляжей побережья Атлантики, таких как Копакабана или Ипанема.

Некоторое улучшение геоэкологического состояния городов развитых стран благоприятно для их жителей. Вместе с тем эти города оказывают намного большее неблагоприятное воздействие на состояние экосферы на уровне континентов или мира в целом. Расходование природных ресурсов и эмиссия парниковых газов на душу населения городов развитых стран намного превышает соответствующие показатели для беднейших городов развивающихся стран, так что, в конечном итоге, жители городов развитых стран вносят весьма заметный вклад в усиление глобальных геоэкологических проблем.

Рис. 22. Схема метоболизма города с населением 1 млн человек (т в сутки) (по Г. В. Стадницкому и А. И. Родионову)

Говоря о геоэкологических проблемах городов, не следует забывать об их роли как центров, влияющих на антропогенную трансформацию значительных прилегающих территорий. Условия и причины могут быть различными. В Африке, где в отдельных странах до 90 % населения все еще готовит себе пищу на дровах, все пригодные лесные ресурсы в радиусе 50–80 км от крупных городов истощены. Из-за недостатка дров беднейшие семьи в городах многих стран Африки готовят себе горячую еду только один раз в день.

В зонах высокого загрязнения воздуха вследствие работы предприятий промышленности или энергетики, растительность трансформирована или полностью уничтожена на десятки километров вокруг города или по направлению вдоль преобладающих ветров. Такова ситуация в Норильске и окрестностях, где весьма уязвимая естественная растительность практически уничтожена на расстоянии до 100 км от промышленных предприятий.

Все крупные города, располагающиеся на реках, вносят весьма заметный вклад в загрязнение воды этих рек, вплоть до полного уничтожения жизни в воде на многие километры вниз по течению. Отмечено много ситуаций, в особенности в тропиках, когда в реке, протекающей сквозь большой город, концентрация патогенных бактерий увеличивается на несколько порядков.

Несколько сотен крупных городов мира и тысячи более мелких вызывают локальное, пятнистое ухудшение состояния окружающей среды. Взятые вместе, они в очень заметной степени влияют на глобальную ситуацию. Это весьма типичный пример универсальной геоэкологической проблемы, имеющей локальное, но часто встречающееся распространение, и потому не менее важной. Как пишет один из американских исследователей, «отрицательное воздействие домашнего загрязнения воздуха и выплескиваемых с водой отходов на детскую смертность и ожидаемую продолжительность жизни женщин имеет не меньшие глобальные размеры, чем, скажем, разрушение тропических лесов, и с точки зрения неотложных задач оно может оказаться наиболее срочной из всех общемировых экологических проблем».

В этой связи, наряду с «зеленой» программой, адресованной на глобальные проблемы, такие как изменение климата, озоновый слой или биологическое разнообразие, ряд международных и национальных организаций и экспертов выдвигают «коричневую» программу, которая включала бы проблемы бедности, загрязнения окружающей среды и экологической безопасности в городах. Такие программы решают практические вопросы улучшения качества жизни в городах, включая совершенствование систем водоснабжения, канализации, удаления и переработки отходов.

 

X.3. Геоэкологические аспекты энергетики

Производство и использование энергии – важнейшая сторона деятельности человека. Без энергии невозможны практически все другие его действия: извлечение и переработка невозобновимых природных ресурсов, производство промышленной продукции, транспорт, сельское хозяйство, освещение, отопление, здравоохранение и т. д., и т. п. Эволюция общества и цивилизации происходила и происходит в тесном взаимодействии с развитием энергетики.

Энергия – важнейший товар в международной экономике, а надежное обеспечение стран источниками энергии стало важнейшей геостратегической проблемой ХХ! века. Глобальные энергетические стратегии и проблемы системно взаимосвязаны с основными общемировыми вопросами, такими как рост численности населения, увеличение имущественных различий между отдельными слоями общества, распространение бедности, дефицит продовольствия и воды, состояние здоровья и здравоохранения, неудовлетворительное качество воздуха в городах, изменение климата, деградация экосистем, их асидификация, распространение ядерного оружия и др. Из этого следует, что вопросы энергетики должны решаться таким образом, чтобы не ухудшилось состояние других глобальных проблем.

История развития мировой энергетики поучительна. Первейшим источником энергии для любого вида деятельности человека был он сам, его мускульная энергия. Затем изобретение способов добывания огня для сжигания древесины обеспечило человеку горячую пищу, отопление жилища, новые материалы, такие как бронза и железо. Использование энергии домашних животных предопределило прогресс в сельском хозяйстве, транспорте и промышленности. Изобретение пара как рабочего вещества явилось важнейшим технологическим фактором промышленной революции и способствовало освоению таких энергетических ресурсов, как уголь, нефть и природный газ.

С тех пор и до настоящего времени наша цивилизация основана на использовании горючих ископаемых.

Соотношение величин коммерческого потребления энергии по источникам ее происхождения на 1997 г. показано в табл. 20.

Таблица 20

Соотношение источников энергии в мире (в %)

Общая мощность производимой или же потребляемой в мире энергии составляет величину порядка 10 тераватт, или 1010 Вт и продолжает увеличиваться. Из этого количества около 80 % энергии получают благодаря сжиганию нефти, угля и природного газа. По всей вероятности, этот показатель сохранится на ближайшие десятилетия, а количество производимой энергии будет все еще увеличиваться. Объем и доля атомной энергии, вероятно, останется на ближайшую перспективу скромной. Суммарная величина производимой гидроэлектроэнергии будет увеличиваться, но ее доля в производстве и использовании энергии останется небольшой.

Другие, преимущественно возобновимые, источники энергии, такие как энергия солнца, ветра, морских приливов, волнения воды, разности температур поверхностных и глубинных слоев воды океана, специально выращиваемой биомассы, геотермальная энергия, и прочие, несмотря на некоторые оптимистические прогнозы, не спешат занимать сколько-нибудь значительное место. Экономические и экологические затраты на производство энергии из возобновимых источников неуклонно снижаются, и имеются заметные достижения в их практическом использовании, хотя доля этих источников в мировом энергетическом балансе все еще невелика.

Производство и потребление энергии в мире, за редкими исключениями, неуклонно росли, в особенности в последние десятилетия. За 20 лет, с 1971 по 1991 гг., потребление энергии в мире увеличилось на 45 %. Соответственно, расходовались и запасы горючих ископаемых. Тем не менее, благодаря успешным поискам новых месторождений и их разведке, запасы продолжали увеличиваться. По состоянию на 1990 г., при современном уровне разведанных запасов и ежегодной добычи угля хватило бы на 209 лет, нефти на 45 лет и природного газа на 52 года.

Производство и использование основных источников тепловой энергии практически всегда сопровождаются неблагоприятными последствиями, влияющими на экосферу и на здоровье людей. Соответственно, ожидаемый дальнейший рост производства и использования энергии приведет к еще большему усилению экологических проблем. Геоэкологические ограничения могут стать столь серьезными, что они станут диктовать основные элементы стратегии энергетики. В частности, мы уже обсуждали возможную ситуацию, когда не дефицит горючих ископаемых, а значительное ухудшение состояния экосферы приведет по необходимости к трансформации глобальной энергетики на основе возобновимых и экологически более чистых источников энергии. Геоэкологические вопросы энергетики уже излагались в соответствующих разделах книги, и здесь лишь кратко отметим основные проблемы.

Опора в энергетике на использование горючих ископаемых и, соответственно, чрезвычайно высокая их доля в производстве энергии предопределяет специфический набор связанных с этим геоэкологических проблем. По объему выбросов загрязняющих веществ в атмосферу тепловая энергетика является наиболее крупной отраслью промышленности (27 % от общего количества выбросов всей промышленностью России). Составляющими выбросов в основном являются твердые частицы (31 %), диоксид серы (42 %), окислы азота (24 %).

Современная ТЭЦ мощностью 1000 мВт выбрасывает в воздух за год 165 000 т газов и 500 000 т твердых частиц. Тепловое загрязнение составляет около 60 % производимой энергии. Каждая ТЭЦ нуждается в 4 кв. км площади, не считая площадей для складов, подъездных путей, градирен, линий электропередачи, свалок и пр.

Загрязнение воздуха, ассоциирующееся со сжиганием нефти, угля и газа, неблагоприятно влияет на экосистемы и здоровье людей. Из трех основных источников тепловой энергетики более всего загрязнений и парниковых газов производится и выбрасывается в атмосферу в результате сжигания угля и наименьшее – при сжигании газа. Кислотные осадки, возникающие как следствие функционирования тепловых электростанций, приносят ущерб экосистемам – озерам, рекам, лесам, а также и урожаю, строениям, памятникам материальной культуры. Современная энергетика является важнейшим фактором накопления в атмосфере парниковых газов и, следовательно, наиболее важной причиной изменения климата.

Атомные электростанции несут с собой высочайший риск катастрофы в случае выделения в экосферу радиоактивных изотопов. Как показывает печальный опыт Чернобыльской АЭС, радиоактивное загрязнение вследствие взрыва всего лишь одного атомного реактора нанесло невосполнимый ущерб здоровью людей, состоянию естественных и агроэкологических систем, по сути дела, вывело из нормального использования чрезвычайно большую территорию в пределах Белоруссии, России и Украины.

В атомной энергетике остаются нерешенными проблемы хранения и переработки радиоактивных отходов деятельности АЭС. Подошли также сроки выведения первых атомных станций (не только в России, но и в других странах мира) из эксплуатации. Поскольку неизвестно, что с ними делать дальше, они подлежат консервации. Как это сделать безопасно и эффективно – пока еще плохо проработанная задача.

Основное направление в стратегии снижения геоэкологических проблем энергетики – повышение роли возобновимых и экологически более чистых источников энергии. Однако абсолютно чистых источников практически не бывает.

Как уже обсуждалось в другой главе, гидроэлектростанции приносят свой специфический набор геоэкологических проблем, таких как потери затапливаемой земли, зачастую весьма ценной, переселение населенных пунктов из зоны затопления, изменения водных и наземных экосистем и их плодородия, а в тропических и экваториальных районах и усиление частоты и серьезности заболеваний многими тропическими болезнями, ассоциирующимися с водой (малярия, шистосоматоз, речная слепота и др.)

Непосредственное использование солнечной энергии также не оказывается полностью оправданным с экологической точки зрения: аккумуляторы солнечной энергии различных типов часто требуют большой территории. Сбор солнечной энергии зависит также от метеорологических и, следовательно, физико-географических факторов: облачности, угла солнца над горизонтом и пр., а потому он эффективен преимущественно в тропических районах со значительной продолжительностью солнечного сияния. Если в процессе производства энергии используются фотоэлектрические батареи, то в одном или нескольких звеньях технологической цепочки их производства возникает значительное загрязнение окружающей среды.

Опосредованное использование солнечной энергии, в природе проявляющейся в виде ветра, волнения, приливов, биомассы и пр., столь же несвободно от геоэкологических обстоятельств. Например, ветровые электростанции вызывают неприемлемые шумовые эффекты и потому должны располагаться вдали от населенных пунктов; энергия морских волн значительна, но задача ее концентрации для производства электроэнергии технически очень не проста.

Использование геотермальной энергии влечет за собой значительное загрязнение воды, воздуха и земли. Геотермальная электростанция мощностью 1000 мВт выпускает в атмосферу 104—105 т газов в год, загрязняет 105—108 м3 воды и требует значительной площади (до 20 км2 на одну станцию).

Энергетические системы состоят из двух равноценно важных частей: подсистемы, касающейся предложения энергии (supply), и подсистемы спроса на нее (demand). Мы кратко обсуждали некоторые важные вопросы, касающиеся аспектов предложения. Для эффективного функционирования систем энергетики не менее важны проблемы спроса. Экономия энергии играет здесь важнейшую роль.

Больше половины производимой ежедневно энергии теряется вследствие технических особенностей энергетических систем или недостаточно эффективной деятельности человека. Экономия энергии должна быть частью стратегии снижения расхода энергии на единицу продукта, причем социально-экономическое развитие или привычный стиль жизни людей, по крайней мере, не должны ухудшаться. Мы уже указывали на то, что после двух энергетических кризисов 1970-х гг. эффективность использования энергии в странах с капиталистической экономикой значительно повысилась. Меры по экономии энергии и повышению ее эффективности менее успешны в странах с переходной экономикой и развивающихся станах, где промышленность зачастую расходует в 2–5 раз больше энергии на ту же величину продукции вследствие того, что оборудование, технологические процессы, транспортные системы и пр., как правило, устарели и нуждаются в модернизации.

Обсуждая стратегии выхода человечества из глобального геоэкологического кризиса, мы говорили также о необходимости и принципиальной технической возможности повысить в обозримом будущем эффективность использования энергии на порядок, то есть примерно в 10 раз. Такие действия вполне соответствовали бы осуществлению одной из обсуждавшихся нами ранее переходных стратегий, направленных на решение глобального геоэкологического кризиса.

Из этого краткого обзора основных геоэкологических вопросов энергетики следует, что энергетика – одна из сложнейших природно-технических систем.

 

Х.4. Геоэкологические проблемы промышленности

Промышленность – это область вещественного материального производства, создающего орудия производства и основную часть предметов потребления. Разнообразная деятельность промышленности и ее геоэкологические последствия могут быть схематизированы в виде производственно-экологической пирамиды, несколько похожей на экологическую пирамиду (рис. 23).

Рис. 23. Соотношение типов промышленности, использования природных ресурсов и загрязнения окружающей среды

В основании пирамиды лежит добыча сырья, преимущественно минерального. Известно, что около 98 % добываемого на этом этапе сырья идет в отходы в виде пустой породы, руды низкой концентрации, грунта, нестандартной древесины и пр.

Только 2 % сырья достигает следующего уровня, который можно назвать уровнем переработки сырья. В результате него получают промежуточную продукцию, например, железо, сталь, прокат различного сортамента, цветные металлы, разнообразные химические вещества, различные пиломатериалы и пр.

Промежуточная продукция используется на следующей стадии, условно называемой машиностроением и легкой промышленностью, производящей разнообразные орудия труда и предметы потребления. На этой стадии доля полезного продукта от исходного количества сырья еще более сокращается.

Наконец, на высшей стадии промышленного производства мы имеем дело с современной индустрией высокой сложности и точности, производящей аппараты электроники и прецизионного машиностроения, композитные материалы, продукты биотехнологии и прочие товары так называемой «высокой технологии» (high-tech). На этой стадии объем используемых материалов минимален, главные вложения оказываются в виде личного опыта персонала, передовой технологии и дорогостоящих комплектующих. Одна из тенденций современной индустрии в том, что значительная часть промышленности высокой сложности и точности перестала продавать свою продукцию. Продукция сдается в аренду, а компания-изготовитель обеспечивает ее обслуживание. Так происходит переход к стадии услуг, и роль услуг имеет тенденцию к росту.

Стадия «высокой технологии» есть результат современной научно-технической революции. Зачастую при чтении литературы создается ошибочное впечатление, что человечество, или, по крайней мере, развитые страны, целиком и полностью перешли на эту стадию. На самом деле, все четыре стадии необходимы и нуждаются в развитии и совершенствовании, а без низшей стадии невозможно достичь более высокой. По-прежнему необходим металл, энергия, продукция химической промышленности и пр., без них не достичь высот «высокой технологии».

В соответствии со стадиями промышленного производства (от «сырьевой» до «high-tech») возникают определенные тенденции изменения геоэкологических проблем: a) объем извлекаемых ресурсов и перерабатываемого сырья снижается; б) объем загрязняющих отходов, сбрасываемых в окружающую среду, сокращается; в) однако токсичность сбросов резко увеличивается, так что результирующее загрязнение может и не уменьшиться.

Экологические воздействия промышленности охватывают всю технологическую цепочку от добычи сырья и первичной обработки через собственно процессы производства до получения конечного продукта и размещения отходов. Промышленность – весьма важный потребитель природных ресурсов (металлических и неметаллических руд, продуктов сельского хозяйства, энергии различных видов). В результате индустриальных процессов возникают запланированные или неожиданные сбросы вредных газов, твердых отходов и разнообразных жидких стоков. Это может случиться в процессе производства или позднее при использовании продукта. Некоторые из отходов и продуктов промышленности весьма токсичны и могут нанести значительный ущерб.

Отрасли промышленности, в наибольшей степени загрязняющие атмосферу, – это теплоэнергетика, черная и цветная металлургия:

Энергетика(тепловые электростанции) 43%

Черная и цветная металлургия 23%

Нефтеперерабатывающая промышленность 11 %

Прочие отрасли 23%

Геоэкологические последствия в различных секторах промышленности показаны в таблице.

Для борьбы с неблагоприятными геоэкологическими последствиями промышленного производства существует два принципиальных подхода:

а) управление загрязнениями на конечной стадии производства;

б) системная перестройка производственного цикла.

По сути дела, при стратегическом подходе типа а) управление загрязнениями осуществляется после завершения технологического цикла, в виде как бы дополнения к нему. Этот подход носит название «на конце трубы». Переработка загрязнений «на конце трубы», как правило, не сокращает объем или массу загрязнителей. Она попросту перемещает отходы, после их обработки, из одной среды в другую, более удобную при данном технологическом цикле, например, из воздуха в землю. Во многих случаях обработка отходов перемещает эмиссии, выпускаемые в воздух, в водную среду. Такого рода операции нежелательны в долгосрочном плане, хотя и могут казаться приемлемыми как временная мера. К сожалению, на самом деле обработка отходов «на конце трубы» чрезвычайно широко распространена, хотя по сути и не решает экологические проблемы. Такая технология носит название «малоотходная», или, более того, «безотходная», что, как мы видели, неверно.

Таблица 21

Геоэкологические воздействия различных отраслей промышленности

При стратегическом подходе типа б) в качестве долгосрочной и скорее всего недостижимой на 100 % цели, ставится задача добиться такого производства, которое было бы полностью замкнутым, подобно космическому кораблю в продолжительном, автономном полете. С этих позиций существует три класса технологических подходов, требующих системной перестройки промышленного производства для действительного снижения объема, массы и токсичности отходов, сбросов и эмиссий.

1) Экономия сырья, материалов и энергии.

К этой категории относятся изменения производственного цикла, в том числе такие мероприятия, как внедрение более экологически и экономически эффективных производственных процессов, использование новых материалов, а также такие мероприятия, как повышение теплоизоляции производственных помещений, установка более эффективного освещения, применение более легких грузовиков и пр.

2) Увеличение степени использования промышленного продукта.

К этим мерам относится организация вторичного рынка таких использованных товаров, как автомобили, одежда и обувь, электроника, мебель, книги и многих других, сбор и переработка утиля (лом цветных и черных металлов, стекло, бумага, использованная упаковка и пр.), при соответствующем сокращении производства новых товаров.

3) Извлечение полезных продуктов из промышленных отходов.

Первой этим стала знаменита американская корпорация 3М, получающая значительный доход от извлечения побочных продуктов. Ее лозунг «Pollution Prevention Pays» (РРР), который можно перевести как «Предотвращение загрязнения платит за себя», широко известен в деловом мире.

Имеются и более сложные, системные примеры экономически целесообразной борьбы с промышленным загрязнением.

В г. Калундборг (Дания) имеются три основных, первичных промышленных предприятия – нефтеперегонный завод, тепловая электростанция (ТЭЦ), работающая на угле, и фармацевтическая фабрика. Объединив эти предприятия в систему, стало возможным значительно сократить их отходы, не увеличив в то же время стоимость продукта. ТЭЦ снабжает попутным теплом фармацевтическую фабрику, а также рыбоводческое хозяйство и теплицы. Зола с электростанции продается цементному производству, а сульфат кальция, улавливаемый установкой по десульфуризации отходов, поступает к изготовителю обоев. Нефтеперегонный завод снабжает ТЭЦ отходящими углеводородами как дополнительным топливом, а сера как продукт десульфуризации нефтепродуктов поставляется химической компании, производящей серную кислоту. Наконец, органические отходы фармацевтического предприятия потребляются рыбоводческим хозяйством и используются как удобрение в теплицах.

Несмотря на то что такие комплексы экологически и, вероятно, экономически целесообразны, пример Калундборга, насчитывающего уже примерно 30 лет опыта, не получил широкого распространения. По-видимому, локальная координация усилий различных производств в деле улучшения состояния окружающей среды слишком сложна. Казалось бы, система централизованного планирования должна способствовать развитию подобной кооперации. Однако опыт СССР и других подобных стран не был более успешен, чем опыт стран с рыночной экономикой. В чем, по-видимому, центрально-плановая экономика показала преимущество, это в совместном производстве электричества и тепла для крупных городских районов и даже целых городов.

Исследования Департамента энергетики показали возможность сокращения промышленных отходов в США на 1,3 млрд т за период между 1996 и 2010 гг. Потенциальная выгода от этого может увеличить валовый продукт страны за тот же период на 1936 млрд долларов (в ценах 1992 г.). Одновременно возрастет занятость на 16 млн чел. в год в течение 15 лет. Таким образом, национальная политика сокращения промышленных отходов может принести как экологическую, так и экономическую выгоду.

 

Х.5. Геоэкологические аспекты транспорта

Услуги транспорта играют важную роль в экономике и повседневной жизни людей. Транспорт – один из важнейших компонентов общественного и экономического развития, поглощающий значительное количество ресурсов и оказывающий серьезное влияние на окружающую среду. Использование практически всех видов транспорта на всех континентах возрастает и по объему перевозимых грузов, и по количеству тонно-километров, и по числу перевозимых пассажиров. Некоторые виды транспорта уходят в прошлое (например, морские пассажирские линии дальнего плавания, или гужевой транспорт в развитых странах). Однако, во многих странах все еще используется тягловая сила животных, передвижение на велосипедах или пешком. Вместе с тем увеличивается использование дальней авиации и трубопроводов при относительно стабильном использовании железнодорожного транспорта.

Но особенно большую роль играет постоянное и неуклонное увеличение использования автомобилей для перевозки грузов и как средство личного транспорта. Этому сопутствует рост автомобильных, в том числе скоростных, дорог. Около половины добываемой нефти в мире используется для автомобильного транспорта, рост которого значительно опережает рост населения. Увеличение числа автомобилей неразрывно связано с обсуждавшимися выше процессами урбанизации. Многочасовые пробки стали обычной картиной на улицах многих городов мира. Не лучше ситуация и в России, а количество автомобилей в Москве в несколько раз превышает допустимое для имеющейся сети городских дорог.

Транспорт – очень важный неблагоприятный фактор состояния окружающей среды:

Во-первых, почти все виды транспорта загрязняют окружающую среду, в особенности воздух, а также и воду, и вызывают значительный шум и вибрацию.

Во-вторых, поглощается много земельных ресурсов для транспортной инфраструктуры – автомобильных и железных дорог, морских и речных портов, трубопроводов, аэропортов и пр. и связанных с ними складов, вокзалов, причалов и т. д. Транспортная инфраструктура создает значительные по площади техногенные ландшафты.

В-третьих, расходуется значительное количество природных ресурсов, затрачиваемых на производство автомобилей и сооружение элементов транспортной инфраструктуры.

В-четвертых, все виды транспорта представляют серьезную опасность для жизни, здоровья и имущества людей.

Загрязнение воздуха – наиболее серьезная геоэкологическая проблема, ассоциированная с транспортом. В странах Организации экономического сотрудничества и развития (OECD) эмиссия в воздух от автомобилей увеличилась за период 1975–1990 гг. на 20–75 %. В развивающихся странах этот показатель выше. В Москве эмиссия выхлопных газов автомобилей составляет не менее 70 % всего загрязнения воздуха. От 40 до 70 % оксидов азота, от 70 до 90 % окиси углерода (СО) и не менее 50 % свинца в атмосфере вызваны выхлопом автомобилей. Последствия загрязнения воздуха становятся важнейшей глобальной геоэкологической проблемой.

Загрязнители воздуха, непосредственно продуцируемые автомобилями, такие как окись углерода, оксиды азота, углеводороды или свинец, главным образом накапливаются по соседству с источниками загрязнения, то есть вдоль шоссейных дорог, улиц, в тоннелях, на перекрестках и пр. Таким образом, создаются локальные геоэкологические воздействия транспорта.

Часть загрязнителей транспортируется на большие расстояния от места эмиссии, трансформируется в процессе переноса и вызывает региональные геоэкологические воздействия. Наиболее распространенным процессом этой категории является асидификация, обсуждаемая более детально в разделе V.4.

Двуокись углерода и другие газы, обладающие парниковым эффектом, распространяются на всю атмосферу, вызывая глобальные геоэкологические воздействия.

Вследствие значительных воздействий транспорта на локальном, региональном и глобальном уровнях необходимо стремиться к осуществлению следующих направлений координированной общемировой стратегии как компоненты устойчивого развития.

– Потребление горючих ископаемых для транспорта должно быть сокращено насколько возможно.

– Должны быть установлены основанные на передовой технологии общемировые стандарты выбросов в атмосферу для всех видов транспорта.

– Каждой стране следует разработать и осуществлять программу контроля эмиссии всех источников и видов транспорта.

– Совершенствовать и развивать надежную и общедоступную систему общественного транспорта.

– При планировании развития транспортных систем использовать системный подход, направленный на комплексное решение экологических проблем. Устранять причины, а не следствия геоэкологических проблем на транспорте.

Общая цель в системном управлении транспортом заключается в нахождении оптимального соотношения между обеспечением потребностей общества и снижением загрязнения окружающей среды. Стратегии управления будут зависеть от локальных ситуаций и потому будут различными для конкретных стран, регионов и городов.

 

X.6. Геоэкологические аспекты сельского хозяйства

Сельское хозяйство – наиболее распространенный антропогенный фактор преобразования экосферы, или, иными словами, глобальных изменений. Это важнейшая система жизнеобеспечения общества: сельское хозяйство обеспечивает 98–99 % массы продуктов питания людей на Земле, в том числе 87 % белкового питания. Поэтому чем выше численность населения и больше его потребности, тем больше роль сельского хозяйства и тем значительнее его воздействие на экосферу.

Сельскохозяйственные системы, как земледельческие, так и животноводческие, занимают в мире около 50 млн кв. км, или 38 % свободной от льда суши. Из них пашня занимает около 30 % и пастбища – 70 % площади.

Разнообразие типов сельскохозяйственных систем огромно. Главным образом, оно зависит как от природных условий, так и от особенностей применяемых технологий. Поэтому сельскохозяйственные системы называют также агроэкосистемами. В простейших системах земледелия агротехнические операции сводятся последовательно к несложной подготовке почвы к посеву, заделыванию зерна во влажную почву, сбору того, что выросло, переработке урожая и сохранению части его в качестве семян для следующего сельскохозяйственного года. С другой стороны, в сложных системах уровень технологии чрезвычайно высок. Например, в польдерах Нидерландов осуществляется управление оптимальным режимом развития растений. Уровень капиллярной каймы грунтовых вод регулируется таким образом, чтобы корни культурных растений постоянно находились в этой зоне, не выше и не ниже, а питательные вещества в почве были бы доступны растению в необходимом, но не чрезмерном количестве. Соответственно, и урожаи, получаемые в различных агроэкосистемах, разнятся в десятки раз.

Не менее велико разнообразие животноводческих систем, в зависимости от природных и хозяйственных факторов. Наконец, существует большое количество комбинаций типов земледелия и животноводства.

Несмотря на разнообразие, сельскохозяйственные системы отличаются одной общей особенностью: все они оказали и продолжают оказывать глубокое воздействие на экосистемы и ландшафты. В процессе развития агроэкосистем преобразуется растительность: от естественного покрова – к пашне или пастбищу. В земледельческих системах естественный растительный покров, часто многоярусный, замещается на монокультуру. Система коренным образом трансформируется и упрощается. При введении орошения изменяется и тип водного режима: от обычно непромывного к промывному.

Как и земледелие, животноводство имеет много разнообразных форм в связи с различиями природных условий и уровней развития общества. В животноводческих агроэкосистемах геоэкологические изменения более постепенны, но не менее глубоки. Не случайно, что одна из пробем геоэкологии – каким было исходное, доантропогенное состояние африканской саванны, поскольку она постепенно трансформировалась под влиянием многотысячелетнего и весьма интенсивного выпаса скота. В засушливых районах мира основная экологическая проблема пастбищного скотоводства – постепенное истощение пастбищ при их перегрузке с последующим уничтожением растительного и почвенного покрова, то есть прогрессирующее антропогенное опустынивание.

В умеренном поясе преобладающее там пастбищно-стойловое животноводство также приносит немало геоэкологических проблем, связанных с загрязнением почвы и воды отходами животноводства. Мы уже говорили о проблеме накопления навоза в Нидерландах в связи с понятием потенциальной емкости территории. Эта проблема характерна для всех районов интенсивного пастбищно-стойлового животноводства.

Естественные системы отличаются высокой степенью замкнутости баланса органического вещества и других компонентов. Разность между приходной и расходной частями баланса вещества в природной системе за год не превышает 1 %, а обычно меньше. За счет этой малой доли и происходит направленная эволюция естественных систем. В сельскохозяйственных же системах цикл вещества разомкнут: вещество забирается человеком из системы в виде урожая, а семена, органические и минеральные удобрения, а также и пестициды, в нее вносятся. Вынос вещества составляет десятки процентов (обычно 40–80 %) от годовой продукции биомассы. При этом чем продуктивнее агроэкосистема, тем больше отчуждение продукции и тем система более неустойчива. Таким образом, система коренным образом трансформируется.

Изменяются и физические процессы. Водная и ветровая эрозия почв усиливаются на один-три порядка. Почва уплотняется под воздействием сельскохозяйственных машин и орудий. Структура теплового баланса изменяется вследствие изменения как величины альбедо, так и затрат на эвапотранспирацию. Соответственно, изменяется и водный баланс, и режим влаги в почве.

Биологические особенности, такие как биомасса, ее прирост, трофические соотношения, видовой состав, включая микроорганизмов и беспозвоночных и пр., коренным образом меняются.

Вследствие эволюции земледелия и животноводства сокращается сложность структуры ландшафтов, их устойчивость снижается и может поддерживаться только благодаря действиям человека.

Геоэкологические проблемы сельского хозяйства относятся к категории универсальных, то есть встречающихся в мире повсеместно. Они продукт некоординированных действий миллионов крестьян. Главная задача каждого хозяина – максимизировать урожай, сохраняя в то же время (а по возможности и повышая) естественное плодородие почв. Таким образом, они, каждый на своем поле, ведут постоянную и многовековую работу по достижению устойчивого сельского хозяйства. Результаты их действий, сложенные вместе по континентам и миру в целом, имеют глобальное значение.

Не все в мире в процессе развития устойчивого сельского хозяйстве было успешным. Пахотные площади увеличивались, но во многих случаях вследствие ухудшения состояния агроэкосистем снижалась урожайность. Значительная часть земель безвозвратно потеряна для сельского хозяйства в результате водной и ветровой эрозии почв, их засоления, заболачивания и антропогенного опустынивания. Общая площадь безвозвратно потерянных и сильно деградированных земель находится в пределах 15 млн кв. км (11 % свободной от льда территории мира), то есть сравнима с современной площадью пашни мира. Еще на 6 млн кв. км (5 % территории мира) биологическая продуктивность значительно понижена в результате деятельности человека. Деградация как природных систем, так и агроэкосистем продолжается.

Сельское хозяйство оказывает существенное влияние на водный режим и водный баланс как небольших территорий, так и крупных, масштаба континентов или всего мира. Как правило, увеличивается поверхностный сток; соответственно, снижается подземный сток и запасы влаги в почве. О решающей роли сельского хозяйства в многократном увеличении эрозии почвы уже говорилось выше.

Как уже обсуждалось ранее, деградация почв и снижение биологической продуктивности – одна из важнейших, может быть, наиважнейшая геоэкологическая проблема, потому, в частности, что снижение биопродуктивности сопровождается неуклонным ростом потребностей населения мира в продуктах питания.

Выше уже отмечалось, что растущий спрос на продовольствие может быть удовлетворен двумя путями: расширением пахотных площадей и интенсификацией сельского хозяйства. В обоих случаях неизбежно усиление геоэкологических проблем вследствие ухудшения состояния земель и повышения транспорта наносов и химических веществ. Таким образом, истинная стоимость продуктов сельского хозяйства (с включением геоэкологических потерь и затрат в величину стоимости) на перспективу будет возрастать.