Подход к оценке взаимодействия биосферы с техносферой и

ЭКОЛОГИЯ
УДК 574
ПОДХОД К ОЦЕНКЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ БИОСФЕРЫ
С ТЕХНОСФЕРОЙ И ЕГО ПОСЛЕДСТВИЯМ
Е.И. Захаров
Рассмотрены фундаментальные закономерности взаимодействия элементов
биосферы с различными элементами техносферы. Показано, что программы развития
всех стран предусматривают дальнейший рост производства продуктов потребления.
Обоснован принцип рациональных взаимоотношений общества с биосферой на основе
экологически разумного потребления природных ресурсов.
Ключевые слова: биосфера, техносфера, окружающая среда, системные свойства, методология науки.
Продолжавшаяся на протяжении более четырех столетий техническая революция, рост народонаселения и урбанизации в огромных масштабах увеличили воздействия цивилизации на окружающую среду. Деятельность человека стала соизмеримой с геологическим и природными
процессами, что привело к деградации природной среды: загрязнением
воздуха и воды, почвы, уничтожению растительного и животного мира
(видов), истощению природных ресурсов, развитию негативных геологических явлений.
Деятельность человека охватывает сегодня более половины площади континентов: около 15 % освоенной территории занято пашнями, около
25 % - пастбищами, 4 % - городами и промышленными объектами, около
30 % - лесные массивы. Оставшиеся территории – пустыни, высокогорья,
тундры, ледники. Деятельность человека привела к уничтожению две трети лесов, потреблению от 16 до 18 % водного стока ежегодно. Нагрузки на
восполнение природных ресурсов все возрастают.
Сегодня человечество, наука, техника, социальные институты преобразуют природную и создают новую систему, объединяющую цивилизацию и природную среду. Преобразуя естественную среду, человек создает
искусственную среду обитания – техносферу – область технической деятельности человека, охватывающей ландшафтную оболочку, глубины зем3
Известия ТулГУ. Науки о Земле. 2013. Вып. 2
ной коры (до 8…10 км) и расширяющееся космическое пространство.
Таким образом, являемся участниками взаимодействия двух глобальных систем: природной – биосферы и искусственной – созданной деятельностью человека–техносферой. Важнейшая роль в познании закономерностей указанных взаимодействий, а, следовательно, законов природы,
принадлежит физическим взаимодействиям, так как любая естественная и
прикладная наука на достаточно высоком уровне развития вступает в теоретическое и практическое пересечение с физикой, которая оказывает
мощнейшее воздействие на формирование мировоззрения: раскрывает физическую картину мира, в том числе закона сохранения энергии, учение о
порядке и хаосе (понятие энтропии), законы термодинамики и др., позволяющие представить изученные геосистемы как открытые, термодинамические, неуравновешенные системы, а наследственность, устойчивость
живых систем во многом объясняется квантовыми свойствами биохимических процессов. Под геосистемами мы понимаем совокупность природных
и искусственно созданных объектов, обладающих системными свойствами: производственными, природно-техногенными, территориальными и
др.
В начале третьего тысячелетия гармонизация отношений человека и
природы остается сложнейшей междисциплинарной проблемой. Универсальных рекомендаций не предложено и популярная в прошлом методологическая установка «мир устроен просто» не работает. В этой связи разработка новых подходов к анализу взаимодействия глобальных систем
весьма актуальна.
Все известные на Земле сложные системы в конечном итоге являются продуктами развития и эволюции простых систем. Но на протяжении
столетий методология технических наук, как правило, базировалась на
принципе интуитивно-расчетного проектирования. Естественные науки с
самого начала базировались на готовом - спроектированных самой природой сложных материальных объектах. Однако традиционные наблюдательно-описательные методы их изучения обладают ограниченными познавательными возможностями, что и подтверждается экологическими
неблагополучиями, особенно в горнодобывающих регионах. Следовательно, требуются новые подходы к познанию характеристик взаимодействия
простых и сложных геосистем, вплоть до глобальных - биосферы и техносферы.
Фундаментальную роль в этом процессе играет физическая картина
мира, сформированная во времени И. Ньютона. В ее основе – понятия элементарных частиц, полей, типов их взаимодействий с учетом пространства
и времени. Главными при этом являются законы взаимодействия элементарных частиц, все остальное – их естественные частные случаи, т.е. свойства мира в целом и его частей определяются и изучаются через свойства
его простейших составляющих.
4
Экология
Движущей силой в любой материальной системе, в частности, природной, является солнечная энергия. Кинетическая энергия солнечного
света воспринимается растениями, которые за счет содержащегося в них
пигмента – хлорофилла - используют данную энергию для синтеза основы
основ органического вещества (процесс фотосинтеза) - глюкозы. Это прямой процесс. При обратном процессе (питании и дыхании) - глюкоза вновь
превращается в углекислый газ, воду с выделением энергии. Из этих двух
процессов четко прослеживаются взаимодействия продуцентов, консументов, детритофагов и редуцентов. В этом взаимодействии реализуется закон
сохранения вещества: атомы в химических реакциях никогда не исчезают,
не образуются и не превращаются друг в друга; они перегруппировываются с образованием различных молекул и соединений. Этот процесс, идущий в природных системах, называется круговоротом элементов. Круговорот химических элементов из неорганической среды через растительные и
животные организмы снова в неорганическую среду с использованием
энергии Солнца и энергии химических реакций носит название биогехимического цикла. Наиболее значимыми для функционирования биосферы
являются круговороты углерода, кислорода, серы, азота, фосфора как основных компонентов для построения основных молекул живого вещества
– углеводов, липидов, белков и нуклеиновых кислот. Эти круговороты создаются живым веществом, поддерживающим жизнедеятельность самих
живых организмов.
За время существования биосферы свободный кислород атмосферы
обновлялся не менее миллиона раз, а воды Мирового океана прошли через
биогенный цикл не менее 300 раз. Эволюция живого мира Земли обеспечивалась взаимодействием факторов изменчивости, наследственности и
естественного отбора. Эта установленная Дарвиным триада сформировала
флору и фауну планеты, газовый состав атмосферы, набор биогенов, т.е.
биологически значимых химических элементов в почве, атмосфере, гидросфере, а также температурный и влажностный режимы, в узком диапазоне
которого только и может продолжаться жизнь. Отсюда следует, что основными функциями биосферы можно считать:
- выработку биоты;
- поддержание газового и гидродинамического состава на определенном уровне, определяющем климат планеты;
- очистку систем от загрязнения и отходов.
Основной отличительной особенностью живого вещества является
способ использования энергии: живой объект улавливает солнечный свет,
удерживает его в виде сложных органических соединений (биомасса),
трансформирует ее в механическую, тепловую энергетическую. За счет
притока энергии живой организм создает упорядочность системы и совершает работу. Таким образом, трансформация осуществляется не за счет
повышения температур и давлений (как в технике), а за счет биохимиче5
Известия ТулГУ. Науки о Земле. 2013. Вып. 2
ских реакций.
Второй особенностью живых организмов является способность к
самовоспроизводству, т.е. производству себе подобных. Это обеспечивается за счет содержащихся в живом организме химических соединений, обладающих способностью к самокопированию, образованию полимерных
слоев и оболочек, ограждающих живое от неживого, способностью аккумулировать и передавать энергию в условиях обычных температур и давлений с высокой скоростью и без отходов. Этими возможностями обладают углерод, меньше - сера.
Сегодня не может представить свою жизнедеятельность без использования технических систем, технических устройств и просто техники,
машин и пр. Это само собой разумеющийся факт. Мы не задумываемся,
что это означает в масштабе планеты. Техника, техносфера все больше
определяют смысл нашей жизни, все больше уподобляясь природной системе биосфере. В ней имеются первичные продуценты, своеобразные технические автотрофы, вырабатывающие энергию, добывающие минеральные ресурсы и биоресурсы. Второй уровень техносферы связан с
обработкой первичной продукции: обогащением, плавкой, синтезом, производством деталей и т.п. Третий уровень – это производство средств производства. Наконец, в результате последующих этапов (операций) – создаются средства потребления, а в последнее время в технологиях все
больше внимания и затрат уделяется системам утилизации отходов, т.е.
техносфера все больше стремится быть похожей и близкой к биосфере.
Природный комплекс, в котором наиболее тесно соприкасаются и
взаимодействуют биосфера и техносфера, охватывает верхнюю часть литосферы, всю гидросферу, приземную атмосферу и все живое на Земле,
получил определение географической оболочки (эпигеосферы). Эпигеосфера обладает рядом специфических способов: цикличностью развития,
зональностью, замкнутостью, круговоротом веществ (химических элементов) - и состоит из отдельных компонентов разного порядка – геосистем,
ландшафтов, территориальных, природных и природно-производственных
комплексов, социально-экономических регионов, зон, границы между которыми практически отсутствуют или размыты.
Одними из названных выше являются горные породы. Исследования акад. М.А. Садовского и его школы показали, что горная порода, образующая земную кору, обладает весьма характерными для нее свойствами:
дискретностью и постоянным колебательным движением. Исходя из первого, земная кора состоит из отдельностей разного масштаба – от пылинок
до континентальных плит, причем в каждую крупную отдельность как бы
вложены последовательно все более мелкие. Изучение распределений отдельностей горной породы по размерам показало, что распределения полимодельны и практически не зависят от физико-химических свойств горной породы. Установлено, что не все размеры отдельностей равновероятны
6
Экология
– некоторые встречаются чаще других. Чаще встречающиеся «преимущественные» размеры обладают удивительным свойством образовывать
иерархическую последовательность, описываемой геометрической прогрессией с показателем, близким к постоянному значению и не зависимым
от физико-химических свойств горной породы, оставаясь неизменным и в
случае различных способов образования отдельностей, будь то природное
трещинообразование, дробление (БВР), измельчение на мельнице и т.д. В
большом диапазоне показатель варьируется в пределах от 2 до 5, в среднем
– 3,5 ± 0,9.
Вторым важнейшим свойством горной породы является ее постоянное колебательное движение в широком диапазоне частот. Математической модели, пригодной для описания процессов дискретности горной породы нет, но подходы к решению задачи намечены. Земля представляется
открытой, многокомплексной системой, способной воспринимать и перерабатывать (транспортировать и трансформировать) поступающую в нее
извне энергию. Таким же свойством обладают ее подсистемы: литосфера,
земная кора, горная порода и пр. При этом внешние источники энергии –
Солнце, поля тяготения и т.п., а для горных пород – тепловые потоки из
глубины недр, тектоническое движение – практически не изменяются в
обозримые промежутки времени.
Энергия, поступающая в открытые системы, перерабатывается в
них. Поглощая энергию извне, некоторые отдельности теряют устойчивость, излучая при этом часть накопленной энергии в виде упругих волн, в
свою очередь, поглощаемых соседними отдельностями. В таких процессах
эволюции системы изменяют конфигурации составляющих систему отдельностей и самой системы. При этом отмечаются:
- горная порода всегда колеблется в широком диапазоне частот
(сотни килогерц – десятитысячные доли герца и ниже: сейсмина, приливы
и т.п.);
- практическое постоянство потока энергии, поступающего на Землю извне, является причиной того, что свойства самой системы Земли и
составляющей ее горной породы практически не меняется при всех протекающих в них процессах.
Основным показателем взаимодействия глобальных систем – техносферы и биосферы, их компонентов - являются миграционные процессы,
на основе изучения которых устанавливаются закономерности и законы
миграции химических элементов в природных и природно-техногенных
системах. В результате миграции происходят концентрация и рассеивание
элементов. Учение о процессах концентрации служит теоретической основой науки о рудных месторождениях, а изучение рассеивания элементов
имеет важное значение при геохимических поисках полезных ископаемых
и для разработки мероприятий по защите окружающей среды. Результатами миграционных процессов являются формирование геохимической зо7
Известия ТулГУ. Науки о Земле. 2013. Вып. 2
нальности: субгоризонтальной и вертикальной.
Самой активной компонентой биосферы является живое вещество.
Влияние живого вещества на геохимические процессы В.И. Вернадским
предложено именовать биогеохимическим. Проблема биогеохимической
сущности биосферы сегодня является одной из центральных проблем, так
как касается эволюционного познания жизни на Земле, с исторической
оценкой и ролью живого в прошлом, настоящего и будущего, с определением роли человека в преобразовании биосферы и возможных программ
развития цивилизации в эпоху неосферы.
Многочисленные исследования и их результаты, проведенные в последние десятилетия, отмечают, что:
- обе геосферы одного порядка по массе, первая превышает вторую
всего в 2,5 раза;
- степень замкнутости оборота веществ в биосфере более чем на порядок превышает этот параметр для техносферы;
- энергоемкость биосферы в 15 раз меньше техносферы, а водоемкость - на два порядка;
- продуктивность биосферы более чем на три порядка превышает
ту, которую достигла техносфера.
И вот при такой эффективности функционирования биосфера вытесняется (заменяется) техносферой. Сегодня эти глобальные сферы близки не только по массе, но и по территориям, которую они занимают.
Анализ развития природной глобальной системы – биосферы и искусственно созданной человеком техносферы, понимания механизмов их
функционирования показал, что окружающий нас мир, его наиболее гибкие системы построены из элементов многоцелевого назначения. Созданная же человеком техносфера строилась из структур, где каждый элемент
монофункционален, что делает систему чрезвычайно громоздкой, опасной,
создает избыточные потоки сырья и энергии. Разница в организации и
функционировании глобальных систем – биосферы и техносферы – не может обеспечить или хотя бы привести к консенсусу их существования, в
чем и состоит первичная и неустранимая причина глобальных экологических проблем.
Программы развития всех стран предусматривают дальнейший рост
производства продуктов потребления. В первую очередь это связано с ростом народонаселения. В итоге, человек, формируя техносферу, сам превратился в мощный первоисточник глобальных потрясений. Добыча природных ресурсов, особенно при освоении недр, сегодня во многом
определяется рынком и рыночными отношениями. Однако в рыночной
цене товара и услуг не нашла свое отражение экологическая составляющая
цены природных ресурсов, в частности, такие экологические параметры,
как последствия, приводящие к ухудшению условий проживания населения, состояния их здоровья, демография.
8
Экология
Природа не понимает языка экономики и живет по иным, чем социально-экономические законы общества, а нарушение первых приводит к
нарушению баланса в обменных процессах химических элементов. Именно
процессы ресурсного обмена на технологическом уровне взаимодействия
биосферы и техносферы и являются первичным и единственным источником экологических нарушений в геосистемах.
Следовательно, взаимоотношения указанных систем должны соответствовать, по крайней мере, концепции устойчивого равновесия, под которой понимают обеспечение баланса между реализацией социальноэкономических проблем и сохранности окружающей среды, удовлетворение жизненных потребностей нынешнего поколения с сохранением таких
возможностей для будущих поколений, что предполагается реализовать на
основе:
- рационального потребления ресурсов;
- выявления у природы новых форм, способов, механизмов нейтрализации загрязнений;
- технического и технологического ускорения нейтрализации вредного воздействия;
- достоверной оценки предельных нагрузок на окружающую среду.
Учитывая вышесказанное, при комплексной оценке той или иной
геосистемы следует прежде всего обратить внимание на оценки воздействия на окружающую среду, исходя их количества, концентрации химических элементов в выбросах, стоках, в отходах, в природных средах –
воздухе, воде, почве, в продуктах питания, а также на состояние здоровья
населения, проживающего на данной территории. Особенно важна оценка
биоты, а именно:
- оценка состояния фотосинтезирующих систем;
- оценка биоразнообразия как генофонда региона;
- оценка агроценоза, животных, птиц как источникова питания человека.
Во многих случаях оценка фотосинтезирующих систем имеет определяющее значение, так как является первичным и самым чувствительным
звеном пищевой цепи и основным источником биомассы, энергии, кислорода для всех прочих организмов. От этого зависят состояние всех систем
в целом и их устойчивость к антропогенным изменениям среды обитания.
Список литературы
1. Науки о Земле / Э.М. Соколов [и др.]: учебник для вузов. М., Тула, Гриф и Ко, 2001. 514 с.
2. Общая экология / Э.М. Соколов [и др.]: учебник для вузов. М.,
Тула, Гриф и Ко, 2001. 171 с.
3. Садовский М.А. Автомодельность геодинамических процессов:
9
Известия ТулГУ. Науки о Земле. 2013. Вып. 2
доклад на годичном общем собрании АН СССР.
4. Экологические проблемы геотехнологий: Новые идеи, методы и
решения / Н.Н. Чаплыгин [и др.]/ М.: ООО «Изд-во «Научтехлитиздат»,
2009. 320 с.
Захаров Евгений Иванович, д-р техн. наук, проф., ecology@tsu.tula.ru, Россия,
Тула, Тульский государственный университет
APPROACH TO EVALUATING INTERACTION OF BIOSPHERE
WITH TECHNOSPHERE AND THEIR CONSEQUENCES
E.I. Zakharov
Fundamental regularities of interacting biosphere elements with different technosphere elements were considered. It’s shown that development programs all of countries foresee subsequent increasing consumption products. The principle of rational interaction society
with biosphere at the basis of environmental rational consumption natural recourses was substantiated.
Key words: biosphere, technosphere, environment, system properties, methodology
of science.
Zakharov Evgeny Ivanovich, doctor of technical sciences, professor,
ecology@tsu.tula.ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 502.51:504.5:543.31
ОЦЕНКА КАЧЕСТВА ВОДЫ ДЛЯ ОСНОВНЫХ РЕК
ПРОВИНЦИИ ДОНГТХАП (ЮГ ВЬЕТНАМА)
НА ОСНОВЕ ИНДЕКСА КАЧЕСТВА ВОДЫ
Фан Чунг Канг, А.Ф. Симанкин
Исследовались основные показатели качества воды (индекс качества) были
выполнены по методике, разработанной Бхаргава (Бхаргава - WQI). Показано, что индекс качества воды может быть использован как эффективный инструмент для
управления качеством воды и борьбы с загрязнением воды в реках.
Ключевые слова: Бхаргава, индекс качества воды (WQI), классификация.
Реки Тянь и Као Лань являются важными источниками поверхностных вод в провинции Донгтхап (Юг Вьетнама). Они снабжают водой все
местные предприятия, включая хозяйственно-питьевое водоснабжение
сельского хозяйства, судоходства, туризма, аквакультуры. Тем не менее, в
эти реки поступают стоки отходов, от деятельности местных предприятий.
Одной из серьезных проблем являются наводнения, в результате которых в
10