Организация взаимодействия человека с природой требует детального изучения, комплексного анализа состояния природной среды, системного подхода, который получил в последние годы название «всесторонний анализ окружающей природной среды».
Организация взаимодействия человека с природой требует детального изучения, комплексного анализа состояния природной среды, системного подхода, который получил в последние годы название «всесторонний анализ окружающей природной среды».
Данный раздел посвящен проблемам комплексного, всестороннего анализа окружающей среды в региональном масштабе в целях определения подходов к выработке допустимой экологической нагрузки на экосистемы в крупных масштабах. Подходящим инструментом для этих целей может явиться системный анализ и имитационное математическое моделирование относительно замкнутых территориально-экономических систем. Существенным упрощением методологии имитационного моделирования является применение балансового подхода, включение метода «межотраслевого» баланса в методологию имитационного моделирования.
Как уже отмечалось, всесторонний анализ окружающей среды позволяет учесть при оценке нагрузки на природную среду все виды воздействий (естественные и антропогенные) на различные элементы биосферы — отдельные организмы, популяции и биогеоценозы в целом. В сочетании с правильно организованной функционирующей системой мониторинга это дает возможность организации оптимального взаимодействия человека с природой, создает основу программы регулирования качества окружающей природной среды.
Для оценки допустимости воздействия различных факторов на элементы биосферы весьма важным является вопрос о пороговости вредных эффектов воздействия и характере зависимости «доза—ответная реакция».Следует отметить, что под пороговостью эффекта воздействия на биологические системы надо понимать не вообще порог любых изменений экосистем под влиянием воздействия, а выход реакции биоты за пределы обычных физиологических колебаний, наблюдаемых в процессе гомеостаза.
Экологическая система может рассматриваться (см., например, [23] ) как совокупность некоторых множеств, первое из которых представляет собой совокупность объектов системы или совокупность особей; за второе может быть принята кардинальная структура множества объектов, представляющая собой количественное распределение особей по группам; третье множество — организация системы — представляет собой набор связей системы (связи между объектами трофические, информационные, пространственные); четвертое множество включает интенсивности связей, входящих в организацию системы (измеряемых, например, количеством энергии или биомассы в случае трофических связей, массой какого-либо элемента в случае химических связей).
Подходы при определении допустимых воздействий, а следовательно, и допустимых нагрузок на сообщество, экосистему отличаются от санитарно-гигиенического подхода, принятого для защиты людей и предусматривающего обязательную защиту и безопасность каждого человека.
При выработке санитарно-гигиенических норм, связанных с загрязнением природной среды, разработка ведется, как правило, в предположении загрязнений какой-либо одной среды. Именно таким образом разрабатывались нормы предельно допустимых концентраций (ПДК) загрязняющих веществ для атмосферного воздуха и поверхностных вод.
В настоящее время очевидна необходимость быстрейшего развития атомной энергетики. В Советском Союзе это направление в энергетике особенно перспективно [31]. Ожидается, что мировая выработка электроэнергии атомными электростанциями к 2030 г. повысится от нескольких процентов (состояние на сегодняшний день) до примерно 25 % общей выработки электроэнергии [57]. Кроме того, в ближайшее время можно ожидать развития новых видов использования ядерной энергии в промышленности, коммунальном хозяйстве и строительстве.
Как уже отмечалось во «Введении в проблему», человеческое общество, взаимодействуя с окружающей природной средой, получает все необходимые для жизни материальные блага. Природа является также источником удовлетворения эстетических потребностей человека.
Очевидно, что наилучшим (оптимальным) подходом является стратегия ограничения, основанная на результатах всестороннего анализа окружающей природной среды. Однако этот путь наиболее сложный, и в настоящее время чаще используется первая и в какой-то степени вторая группа подходов.
Информация о состоянии окружающей природной среды, об изменениях этого состояния используется человеком давно. Последние сто с лишним лет наблюдения ведутся регулярно—достаточно напомнить о метеорологических, фенологических и некоторых других наблюдениях.
Для анализа и прогноза экологической ситуации как в глобальном, так и в региональном масштабах необходимо знание многих геофизических процессов, различных антропогенных эффектов и ситуаций их вызывающих. В первую очередь это относится к выявлению и изучению антропогенных факторов воздействия.
Оценка изменений и тенденций изменений состояния окружающей среды должна дать ответ на вопрос о неблагополучии положения, указать, чем именно обусловлено такое состояние, помочь определить действия, направленные на восстановление или нормализацию положения, или, наоборот, указать на особо благоприятные ситуации (кратковременные или долговременные), наличие природных возможностей, что позволит эффективно использовать имеющиеся экологические резервы природы в интересах человека.
Ранее были изложены подходы к оценкам, вычислению различного вида ущерба при антропогенных воздействиях на природную среду.Однако в некоторых случаях необходимо оценить возможную степень ущерба, потенциальный ущерб, связанный с некоторой вероятностью воздействия и зависящий от многих факторов, появление которых также является вероятностным событием. В таких случаях нередко вводится понятие риска, т. е. вероятности возникновения определенного повреждения, ущерба. Таким образом, риск является вероятностной характеристикой той угрозы, которая возникает в рассматриваемом случае для окружающей природной среды (и человека) при возможных антропогенных воздействиях или других явлениях и событиях.
При осуществлении мониторинга состояния биосферы необходима организация достаточно представительной сети наблюдений (измерений) наиболее важных факторов воздействия, показателей состояния среды. В зависимости от конкретной задачи мониторинга эти факторы и показатели могут быть различными.
Экологический мониторинг является комплексной подсистемой мониторинга биосферы; он включает наблюдения, оценку и прогноз антропогенных изменений состояния абиотической составляющей биосферы (в том числе изменения уровней загрязнения природных сред), ответной реакции экосистем на эти изменения [20] и антропогенных изменений в экосистемах, изменений, связанных с воздействием загрязнений, сельскохозяйственным использованием земель, вырубкой леса, урбанизацией и т. п. Таким образом, экологический мониторинг включает в себя как биологический, так и геофизический (физический) аспекты. Необходимым условием успешного функционирования экологического мониторинга является требование, чтобы в качестве конечного результата явилась оценка и прогноз состояния экосистем, оценка экологического равновесия в экосистемах.
Обоснование и организация комплексного экологического мониторинга океана является самостоятельной задачей [31].Комплексный экологический мониторинг океана — это система наблюдений, анализа, оценки и прогноза состояния океана; он включает в себя физическую, геохимическую и биологическую составляющие.
Очевидно, что при осуществлении экологического мониторинга роль интегральных признаков, характеристик экологических систем, осредненных в больших масштабах (в пространстве и во времени), становится исключительной; важное место при организации мониторинга должно отводиться дистанционным методам, способным непосредственно представлять данные по крупномасштабным изменениям.
Функционирование системы глобального и регионального климатического мониторинга, служб сбора климатических данных необходимо для практического использования представляемой информации о климате при ведении и развитии хозяйства, изучении климата и его возможных изменений и колебаний, для целей оптимизации взаимодействия человека с природой.
К первому разделу относятся измерения температуры воздуха (включая ежедневные экстремальные значения), атмосферного давления, влажности воздуха, скорости и направления ветра, интенсивности осадков, определение состояния облачности (включая нижнюю границу облаков). Измерения основных метеорологических величин (иногда в сочетании с дополнительными измерениями) позволяют осуществлять мониторинг атмосферных явлений и процессов (включая общую циркуляцию атмосферы), наблюдения за влагооборотом. Эти данные получают национальные метеорологические службы с соответствующих станций с помощью различных технических средств.
Определение приоритетности в выборе величин и факторов при организации климатического мониторинга и точность измерений определяются конкретными целями, для которых предназначается получаемая информация.
В этом разделе рассматривается возможность (и целесообразность) использования спутниковых систем для получения информации о климате Земли и состоянии климатической системы.В настоящее время со спутников возможно измерение большинства метеорологических величин и основных характеристик климатической системы. Иногда эти измерения затруднительны, точность их еще не высока, однако некоторые наблюдения со спутников проводятся уже более успешно, чем с помощью наземных средств.
В данном разделе рассматриваются Глобальная система мониторинга окружающей среды (ГСМОС) и пути ее реализации в последние годы в рамках программ ЮНЕП и различных международных организаций. К компетенции такой системы при постановке этой проблемы (на уровне ЮНЕП) был отнесен мониторинг любых изменений (и тенденций в этих изменениях) состояния природной среды (как естественных, так и антропогенных), широкий спектр наблюдений за состоянием природной среды, в том числе и такие, которые осуществляются на земном шаре уже многие десятилетия (например, метеорологические). По мнению ученых [10, 37, 54], некоторые из названных наблюдений выходят за рамки Глобальной системы мониторинга окружающей среды. Например, организация службы предупреждения о надвигающихся стихийных бедствиях, хотя и имеет исключительно самостоятельное значение, вряд ли вписывается в общую логику глобальной системы мониторинга как системы оценки главным образом антропогенных изменений состояния среды. Точка зрения автора на концепцию мониторинга детально изложена в главе 4. Однако в этом разделе полностью сохранены обсуждавшиеся на международных совещаниях схема и терминология в концепции глобального мониторинга, принятые Секретариатом ЮНЕП (см., например, [53] ). По-видимому, читателю небезынтересно будет познакомиться с состоянием дел в этой области.
Позднее Центр начал изучение проблемы измерения различных переменных в разных средах (например, в воздухе, воде, биоте) на тех же станциях мониторинга (многоцелевой мониторинг с интегрированным подходом), а также было начато сотрудничество с ВМО по линии изучения возможности организации такого мониторинга на станциях измерения фонового загрязнения воздуха ВМО [64].
Общий контроль (наблюдение, оценка, прогноз, элементы регулирования) состояния природной среды в СССР осуществляется главным образом различными геофизическими службами, большая часть которых находится в ведении Государственного комитета СССР по гидрометеорологии и контролю природной среды.
Среди глобальных проблем биосферы, обусловленных антропогенным воздействием, наиболее значительной, требующей особого внимания ученых, является проблема возможного изменения климата нашей планеты.Такое приоритетное внимание к этой проблеме объясняется по крайней мере двумя причинами. Во-первых, даже незначительное изменение климата может существенным образом сказаться на хозяйственной деятельности человека и прежде всего на производстве продовольствия. Во-вторых, небольшие антропогенные изменения климата, развивающиеся на фоне его естественной изменчивости, могут привести к нарушению устойчивости климата, перерасти в катастрофические изменения. Палеоклиматические исследования указывают на смену ледниковых периодов и другие климатические катаклизмы в прошлом, происходившие и без антропогенных воздействий.
Несмотря на то что в атмосфере содержится небольшое количество озона, он является ее важнейшей составляющей. Озон активно поглощает ультрафиолетовое (УФ) излучение Солнца и таким образом определяет распределение температуры в стратосфере, а также является охранным щитом от жесткого УФ излучения, опасного для всего живого на Земле. Озон образует в атмосфере озоносферу. Содержание озона в атмосфере составляет б 10-5 % (по массе); его общее количество достигает 3,3-109 т (из них 1,16-108 т находится в тропосфере). Среднее время жизни озона в атмосфере составляет около 50 сут [1].
Важнейшим аспектом антропогенного воздействия на атмосферу является ионизация атмосферного воздуха, наблюдающаяся на фоне активных естественных процессов.Ионизация определяет электрические свойства атмосферы, особенно тропосферы, а также в значительной степени и состав верхней атмосферы, прежде всего озоносферы.
Возникшая в последние годы проблема дальнего (трансграничного) переноса заметного количества различных загрязняющих природную среду веществ антропогенного происхождения поставила задачу решения ряда сложных экологических и технических вопросов [34].
В связи с тем что существует много общего в распространении различных веществ на большие расстояния (как газообразных веществ, так и переносимых высокодисперсными аэрозолями) и их осаждении на земную поверхность, рассмотрим более подробно теорию распространения таких веществ с учетом их особенностей (сначала радиоактивных веществ, затем окислов серы и азота).
Кислотные и щелочные свойства дождевой воды и аэрозольного вещества определяются наличием в растворах свободных ионов водорода Н+ или ОН-, образующихся при диссоциации кислот и оснований. В естественных условиях дождевые осадки имеют нейтральный .или слабо кислотный характер, что зависит от количества растворенных солей естественного происхождения и от количества растворенной двуокиси углерода.
В 9 реках Новой Шотландии (США) pH составляет 4,7 (здесь уже не репродуцируются семга и форель), в 11 реках — pH = 4,7—5,0, в 7 реках — pH = 5,1—5,3.Закислению подвержены также озера во многих районах США и Канады: в штатах Нью-Йорк, Миннесота, Висконсин, Мичиган, Айдахо, в канадских провинциях Онтарио, Квебек и других [54] (см. также [21, 22, 39].
В целом в атмосферу выбрасывается огромное количество 502, особенно в регионе ЕЭК — в Европе и Северной Америке—более 100 млн. т в год. Значительное количество сернистых соединений переносится на территорию других стран, например, в Скандинавию из стран Западной Европы, в Канаду из США и обратно. Это и есть так называемый трансграничный перенос.
Как отмечалось выше, интенсивная хозяйственная деятельность человека вызывает крупномасштабные, вплоть до глобальных, геофизические и экологические изменения на планете; в сферу антропогенного воздействия попадает по существу вся биосфера.
Крупномасштабные последствия возможной ядерной войны рассматривались в ряде работ [8, 9, 19, 25, 30], обсуждались на Конференции ученых за избавление человечества от ядерной войны (СССР, Москва, 17—18 мая 1983 г.) и Конференции «Мир после ядерной войны» (США, Вашингтон, 31 октября—1 ноября 1983 г.). Эта проблема была также освещена автором в докладе на IX Конгрессе Всемирной метеорологической организации 9 мая 1983 г. при обсуждении вопроса «Метеорология и общество». Результаты этих исследований с новой силой и убедительностью указывают на недопустимость ядерной войны, ибо такая война с неизбежностью ведет к разрушению глобальных систем, таких, например, как климатическая, и причиняет необратимый ущерб биосфере в целом, а следовательно, и всему человечеству.
При наземных ядерных взрывах в атмосферу выбрасывается огромное количество грунта (пыли): до 5 тыс.г породы на 1 кт мощности взрыва, из них лишь небольшая часть испаряется [5, 6]. Испарившаяся часть затем превращается в высокодисперсную аэрозольную фракцию со средним размером в доли микрометра. Размер-аэрозольных частиц, образующихся при воздушных ядерных взрывах, не превышает 10—25 мкм [6].
Весьма заметным в результате ядерной войны будет и нарушение озонного слоя атмосферы. Это связано прежде всего с разрушением озонного слоя за счет взаимодействия стратосферного озона с огромным количеством окислов азота, образующихся в высокотемпературной области ядерного взрыва.
Таким образом, очевидно, что ядерные взрывы, особенно при массированном ударе, не только приведут к разрушительным, поражающим эффектам локального масштаба, но и вызовут серьезнейшие глобальные нарушения биосферы — необратимые изменения климата, разрушение озонного слоя Земли, нарушение атмосферы в целом, существенную перестройку земных и водных экосистем.
Океаны, покрывающие большую часть поверхности Земли, играют исключительную роль в обеспечении жизни на планете, формировании погоды и климата.Океаны активно участвуют в процессах глобального характера. Это — процессы взаимодействия океана и атмосферы, определяющие климат нашей планеты; био-геохимические циклы химических элементов, тесно связанные с циркуляцией вещества и энергии в природных экосистемах; фотосинтетическая активность водорослей регулирующая баланс кислорода и углекислоты и др.
Среди многих загрязняющих веществ, поступающих в Мировой океан, серьезную опасность представляют те химические соединения, которые имеют глобальное распространение, непрерывный характер поступления и выраженный отрицательный эффект на живые организмы.
Антропогенные загрязнения ведут к серьезным геофизическим, геохимическим и биологическим, а следовательно, и экологическим (в широком смысле слова) изменениям в океане.Геохимические последствия проявляются в нарушении естественных циклов азота, углерода, серы и других Элементов в океане.
Как было показано выше, антропогенное воздействие на Мировой океан приводит к уменьшению природной способности морских систем к самовоспроизводству и саморегулированию особенно там, где создаются условия, критические для нормального функционирования морских экосистем.
Морские микроорганизмы, обладая полифункциональ-ными ферментными системами, высокой биохимической активностью и способностью к быстрому размножению, играют важную роль в функционировании экосистем Мирового океана. Бактериальные популяции являются важнейшей составляющей океанических экосистем [55].