Введение Постоянный интерес географии, а затем и геоэкологии,

Введение Постоянный интерес географии, а затем и геоэкологии, к проблеме «человек — Земля» и особое внимание к отношениям «общество — среда его обитания» привели к тому, что проблемы глобальной экологии стали их весомой частью. Соизмеримость используемых человечеством для своего существования энергозатрат с энергоемкостью всех биосферных процессов вызывает опасения нарушения стационарности биосферы. Основную угрозу представляют не только и не столько катастрофические загрязнения окружающей среды, сколько социальные факторы (рост населения и разрыв в уровне развития разных стран). Глобальная экология призвана изучать изменения природной среды и разрабатывать необходимую для этого теоретическую базу. Существенным компонентом этой базы является термодинамика ― феноменологическая наука, находящая широкое применение при решении экологических задач. Так термодинамика позволяет лучше понять то, что возможности Земли для обитания на ней человека ограничены ее физико-химическими параметрами планеты Солнечной системы. Представление об энтропийном кризисе позволяет наглядно показать, что богатые страны могут решить проблемы охраны окружающей среды на своей территории, но они не могут это сделать повсеместно. Такие решения осуществляются за счет других стран и народов, т. е. «лечение руки не исцеляет печени или глаз» .

Предмет глобальной экологии Вехи I. В 1866 г. Э. Геккель ввел в биологию термин «экология» и определил ее как «науку о взаимоотношениях организмов между собой… как …физиологию взаимоотношений организмов со средой и друг с другом» . Экология — это наука, изучающая организацию и функционирование надорганизменных систем различных уровней: популяций, биоценозов (сообществ), биогеоценозов (экосистем) и биосферы; наука о взаимоотношениях организмов между собой и с окружающей средой. II. В экологии сложились два направления. Аутэкология ― классическая экология: экспериментальная и идущая от частных фактов к обобщающим положениям. Для нее характерны количественные оценки и эксперименты как на натуре, так и в лаборатории. Синэкологии— характерные черты: дедукция, философия и описательность. Современные точные науки привели к внедрению в нее новых методов изучения сложных систем и проведению экспериментальных исследований. Важнейшими достижениями синэкологии явились: биогеохимические циклы, представления об экосистемах, их эволюции и о потоках энергии в них. Син экология оказалась теснейшим образом связанной с почвоведением, геологией, метеорологией и антропологией.

III. Идея о том, что экология это «наука о взаимоотношениях организмов…» в конце 19 века постепенно трансформировалась в убежденность в том, что природа функционирует как целостная система. Это происходило независимо в русской, европейской и американской экологической литературе. Вспомним, что: В. В. Докучаев(1846— 1903) ( «К учению о зонах природы» ) заложил основы учения о почве. Он и его ученик Г. Ф. Морозов( «Учение о лесе» ) придавали большое значение представлению о «биоценозе» . К. (Карл) Мебиус(1877) рассматривал сообщество организмов на устричной банке как «биоценоз» . С. (Стефан) Форбс (озеро как «микрокосм» 1887) опубликовал свой классический труд об озере как «микрокосме» . Наконец, в 1935 г. английский эколог А. Тэнсли(A. G. Tansley) ввел термин «экосистема» , а русские экологи, вслед за В. Н. Сукачевым, с 1944 г. начали использовать термин «биогеоценоз» . Вопрос насколько экосистемы являются целостными системами и насколько они способны к самоорганизации, подобно организмам, требует еще окончательного решения. Пока в это просто верят, так как от такой веры есть польза, а именно она позволяет применить системный подход к решению проблем, связанных с окружающей средой. В качестве самой крупной единицы в экологии обычно принимается биосфера.

IV. В течение короткого промежутка, с 1968 по 1970 г. , иллюзии о том, что природа неограниченно долго будет поставлять человеку все, что он пожелает рассеялись. Начался период, который иногда называют «всеобщей озабоченностью проблемами окружающей среды» . Слова «экология» , «environment» и их производные прочно вошли в разговорный язык, обосновались на телеэкранах и в прессе. Предметом экологии продолжает оставаться изучение совокупности живых организмов, взаимодействующих друг с другом и образующих с окружающей средой некую систему, в пределах которой осуществляется процесс трансформации энергии и органических веществ. В качестве наиболее значимой совокупности живых существ часто оказывается уже все человечество, а окружающей средой является не только вся биосфера, но и ближнее космическое пространство. В центре внимания современной экологии утвердилась концепция экосистемы, а не биогеоценоза и она стала основой современной экологической парадигмы.

V. «Экология» стала предметом самых различных политических «игр» на муниципальном, региональном … уровнях и так до уровня ООН. Научная компонента часто затушевывается «политической целесообразностью» . Мода на экологию привела к тому, что после 1970 г. количество людей, занимающихся этой тематикой, возросло в сотни раз. Помимо политиков здесь оказались и ученые с самым разным научным и мировоззренческим багажом. В результате произошел терминологический взрыв, часто разные слова используются для обозначения одного и того же явления, и наоборот, а дискуссии иногда сводятся к спорам, какой термин или его трактовка лучше. Наметились тенденции создания аксиоматики экологии путем простого декларирования законов и принципов, которые якобы имеют место. Так как большинство пришедших сюда ученых раннее занимались проблемами неживой природы или инженерии, то в экологию стали интенсивно внедряться различные механистические модели их аналоги, далекие по сути от случайных и самоорганизующихся процессов, которыми управляется «жизнь» .

VI. После 1980 х гг. принципиально изменился арсенал экспериментальных и теоретических методов изучения огромных территорий, вплоть до всей биосферы в целом. Методы мониторинга, позволяющие в реальном времени наблюдать за биосферой в целом позволили по новому подойти к задаче изучения крупномасштабных изменений в окружающей среде. В то же время стало очевидно, что представление о глобальных экологических проблемах часто разумно заменять на представления о глобальных изменениях. В науках о Земле наметились сильные интеграционные тенденции. Все чаще нашу планету стали рассматривать как единую планетарную систему. В практику вошло представление о «глобальных изменениях» . Термин «Global Change» стали более часто использовать в научной литературе, чем термин «глобальные экологические проблемы» .

Так или иначе, мы будем делать основной акцент на проблемы, возникающие на уровне человечество — биосфера, т. е. на тех, которые традиционно принято называть у нас глобальными экологическими проблемами. Среди естественных наук создавших методологическую базу для проведения исследований в самом общем виде — находятся термодинамика и системный анализ. Всемерно подчеркивая необходимость сохранения биосферы, мы должны, конечно, помнить и то, что бессмысленно ставить вопрос о сохранении природы, ставя под угрозу жизнь человека. Экологические исследования должны, в частности, обеспечить сохранение пригодной для жизни человека окружающей среды. Таким образом, возникновение «всеобщей озабоченности проблемами окружающей среды» , мода на экологию и использование этой области знаний для различных политических «игр» способствовало становлению глобальной экологии. В естественно научном плане глобальная экология рассматривает Землю как одну экосистему (биосферу), в которой изучаются энергетические потоки и движения вещества.

Экологические исследования, проводимые здесь, включают в себя: - исследования эволюции биосферы, - энерго- и массообмен в ней, - изучение закономерностей функционирования биосферы как единства образующих ее экосистем и природно-хозяйственных систем различного масштаба, - биологические аспекты охраны природы, - химию биосферы, - разработку методов экологической оценки природных ресурсов и последствий воздействия на биосферу, -геоэкоинформатику, - методологию системных исследований и математическое моделирование биосферных процессов. Постепенно стало ясно, что любая деятельность человека сопровождается не только получением желаемых частных результатов, но и экологическими последствиями. Накапливаясь, эти последствия создают неблагоприятную для развития человечества экологическую ситуацию на земном шаре в целом. Уменьшить возможные негативные последствия такого воздействия на природу в региональном и глобальном масштабах и взять их под свой контроль — важнейшая наша задача.

Если вопрос о наличии тех или иных глобальных экологических проблем вызывает, как правило, дискуссии, то несомненно то, что существование современного общества порождает различные угрозы. Поэтому к термину глобальные экологические проблемы прибавился термин экологические или глобальные экологические угрозы. К экологическим угрозам относят: изменения химического состава атмосферы и их последствия, а также загрязнение ближнего космоса; загрязнение природных пресных вод, океанов и прибрежных акваторий; обезлесивание и опустынивание, эрозию почв, потерю плодородия земель, риск, связанный с биотехнологией; опасные выбросы и загрязнения; производство, перевозку и применение токсических веществ, а также передачу опасных технологий, создающих угрозу населению, в развивающиеся страны.

Несмотря на многочисленные международные Саммиты, конференции и декларации основные тенденции ухудшения экологической ситуации в глобальном и региональных планах сохраняются. Даже в индустриально развитых странах кардинальных изменений к лучшему не произошло. Принципиальным является то, что Биосфера сама поддерживает стабильные условия окружающей среды, благоприятные для тех форм жизни которые и создают ее. В последние несколько миллионов лет это были условия, благоприятные для существования как человека, так и тех форм жизни в целом, к которым мы привыкли. Пределы развития человечества определяются степенью экологических нарушений, а не простым потреблением ресурсов. Самым важным становится вопрос о том, каковы же пределы устойчивости биосферы? Предполагая, что биота поддерживает определенный химический состав окружающей среды, ученые обычно делают вывод, что она должна подчиняться принципу Ле Шателье, т. е. , при возникновении внешних возмущений, нарушающих состояние окружающей среды, в биоте должны возникать процессы, компенсирующие это возмущение. Существенную роль в возрастании антропогенного давления на естественную биоту играет рост народонаселения. Но, не менее очевидно и то, что в слаборазвитых странах потребление ресурсов на душу населения в десятки раз меньше, чем в США. Эффективное воздействие на природу жителей США во многих отношениях более значимо, чем нескольких миллиардов жителей слаборазвитых стран. Необходимо рассматривать биосферу как четырехмерный эволюционирующий объект, т. е. постоянно помнить о процессах, происходивших в ее объеме на протяжении ~ 4 млрд лет ее существования. Нужно иметь достаточно полное представление о тех процессах, которые воздействуют на эту эволюцию.

ВОЗНИКНОВЕНИЕ ГЛОБАЛЬНЫХ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ Исторический аспект. 150– 200 лет тому назад люди не могли и представить себе, что их потомки не только нарушат гармонию природы, но и поставят под сомнение возможность ее существования в том виде, в котором человек наблюдал ее раннее. Основные причины — три «революции» : индустриальная, научно техническая и информационная, сопровождавшиеся быстрым ростом народонаселения и потребления ресурсов. Деятельность человека стала определять «лик Земли» (Э. Зюсс). Биосфера с ее почти замкнутыми циклами столкнулась с тем обстоятельством, что некоторые из этих циклов перестают быть замкнутыми. Человеческая деятельность приводит не только к изменению ландшафтов на огромных территориях, но и оказывает существенное влияние на процессы осадкообразования и формирование структуры земной коры. Широко распространилось мнение, что в геохронологическом плане произошла смена не эпох, а эр, и мы живем в «антропогенную эру» , начало которой, в отличие от всех предшествовавших эр и периодов, можно определить точно. Термин «антропогенная эра» , как и подобный ему термин «психозойская эра» , возник в работах ученых, занимающихся вопросами геологии и палеонтологии. Так, Л. Агассис, опираясь на палеонтологические данные, говорил о геологической эре человека. Профессор МГУ А. П. Павлов предложил четвертичную систему кайнозойской эры называть антропогеновой. Почти одновременно с А. П. Павловым Ле Конте в Калифорнии и К. Шухерт в Новой Англии назвали ту же эру «психозойской» . Не окончившийся и сегодня четвертичный период часто называют антропогеновым, а начало его связывают с появлением человека (~3– 4 млн лет тому назад).

Антропогенное воздействие приводит к трансформации сложившейся на протяжении сотен миллионов лет биосферы в некоторое новое образование, управляемое не только физическими, химическими и биологическими факторами, но и социальными факторами. Теоретические основы учения об этом новом образовании были заложены в конце 20 х гг. XX в. французскими учеными Э. Леруа и Тейяром де Шарденом. Они выдвинули концепцию ноосферы. Затем этот термин был использован и другими учеными, из них в первую очередь следует упомянуть В. И. Вернадского, который вкладывал в термин «ноосфера» не совсем тот смысл, что подразумевали Э. Леруа и Тейяр де Шарден. Благодаря В. И. Вернадскому этот термин получил наибольшее распространение в СССР, а деятельность его последователей привела к тому, что анализ проблем, связанных с ноосферой, из области естествознания переместился у нас в значительной степени в область философии. Пресс антропогенного воздействия на биосферу нарушает как ее видовой, так и химический состав, что еще более тревожно, так как наше существование теснейшим образом связано с окружающей нас средой и с химическими реакциями, в ней происходящими.

Мы интенсивно изучаем космическое пространство и начинаем постепенно внедряться в его пределы, расширяя область нашего обитания. Изучение космоса позволит человечеству не только лучше обеспечить в будущем свои потребности в пространстве и материальных ресурсах, но и обезопасить себя от возможных катастрофических «сюрпризов» космоса и лучше понять природу различных физических (климатических, метеоритных и т. д. ) явлений, определяющих условия, необходимые для жизни на нашей планете. Восторгаясь достижениями в исследованиях и освоении ближнего космического (околоземного) пространства, люди, как правило, забывают, что сам процесс освоения существенно сказывается на глобальной экологической безопасности человечества. Уровень воздействия ракетно космической техники на околоземное пространство в настоящее время достиг такой интенсивности, что становятся возможными глобальные изменения основных свойств этой среды и ее функциональных особенностей. Эффекты этих воздействий превосходят соответствующие эффекты суммарных воздействий человеческой деятельности на сушу, океаны или приземную атмосферу. Без определенного объема знаний об окружающем нас космическом пространстве адекватные представления о многих глобальных экологических проблемах невозможны, а следовательно, невозможно и минимизировать их отрицательные для нас последствия.

На развитие человечества и глобальной экологической ситуации большое влияние оказывают как экзогенные (обусловленные внешними причинами), так и эндогенные (обусловленные внутренними причинами) процессы. В природе всегда наблюдается тесное переплетение и взаимодействие эндо и экзогенных процессов. Так, горы образуются под действием внутренних, глубинных сил, вызывающих их поднятие, но детали их рельефа формируются экзогенными процессами — деятельностью ледников, рек, функционированием биосферы. Когда мы говорим о жизни на Земле, мы всегда должны учитывать ее внутреннюю энергию. И, наконец, велико влияние на разви тие человечества и экологической ситуации внутренних сфер Земли. Можно с уверенностью сказать, что интерес к внутреннему строению нашей планеты и ее истории будет по мере развития общества увеличиваться. Вся Земля, от границы ее магнитосферы до центра, ― это сфера жизненно важных интересов человечества. Для анализа глобальных экологических проблем необходимо познакомиться с природой Земли, возможным диапазоном изменений ее характеристик и последствиями таких изменений. Это требует и понимания природы нашей Солнечной системы, ее места во Вселенной, ее эволюции и того, как это все может сказаться на биосфере.

Представление о сферах инструмент для понимания глобальных экологических проблем Рассматривая проблемы, связанные с нашей планетой, удобно вначале ввести, а затем пользоваться соразмерными элементами. Вначале они относились непосредственно к Земле и получили название геосфер. Геосферы — концентрические оболочки Земли, выделяемые в ее строении и отличающиеся по химическому составу, агрегатному состоянию и физическим свойствам. Мощности (эффективные толщины) некоторых сферических оболочек Земли очень малы по сравнению с ее радиусом и малы, соответственно, их объемы по сравнению с объемом планеты (гидросфера, биосфера). Форма геосфер может отличаться не только от идеальных сферических тел и поверхностей, но и от эллипсоидной формы Земли. Однако такие отклонения не важны для наших дальнейших рассуждений. Изменения формы геосфер обязаны тем или иным региональным воздействиям и региональным особенностям развития: рельефу поверхности Земли, мощности земной коры и структуре поверхности Мохоровичича. Региональные геометрические и вещественные аномалии свойственны в основном верхним геосферам, в нижних же высокие температуры и давления обеспечивают более четкое гидростатическое равновесие и большую геометрическую правильность границ. Земная кора отделяется от мантии достаточно резкой сейсмической границей, ниже которой скорость распространения сейсмических волн возрастает. Впервые это обнаружил в 1909 г. югославский сейсмолог А. Мохоровичич.

Следы возникновения понятий о геосферах ведут нас к философам античной Греции. Аристотель в своей «Метеорологике» выделял в природе четыре «начала» , или основные элементы Земли: огонь, воздух, воду и землю. Он писал: «Вода окружает Землю, как воду сфера воздуха, а ее, в свою очередь, так называемая сфера огня» . Здесь, при желании, можно усмотреть уже выделение семейства геосфер. Земля представляет глубинные геосферы, вода — это гидросфера, а воздух — атмосфера. Огонь представлялся Аристотелю носителем значительной энергии и соответствовал той области, где полыхали молнии или возникали горящие следы от метеоритов. Через два тысячелетия в нашу практику вошло понятие о первой геосфере — атмосфере. Термин «атмосфера» впервые был использован в 1638 г. для описания сферы, состоящей из пара и обволакивающей, согласно воззрениям того времени, Луну. С конца XVII столетия этот термин стали использовать для обозначения всего воздуха, окружающего Землю. Нейтральную атмосферу разделяют на несколько сфер, каждая из которых характеризуется температурой, давлением и составом: тропосфера, стратосфера, мезосфера, термосфера и экзосфера. Кроме того, говорят об ионосфере, оболочке с заметной концентрацией ионов, и о магнитосфере, форма которой несферическая. В верхних слоях атмосферы происходит ионизация атомов и молекул, протекают химические реакции, и имеет место массоперенос. Все это определяется потоками космических излучений и космических частиц, приходящих в эту область. Процессы, здесь происходящие, оказывают влияние на биосферу, и на изучение их направлены усилия ученых.

В 1875 г. Э. Зюсс в своей монографии «Возникновение Альп» ввел термины «гидросфера» , «литосфера» и «биосфера» . В естественных науках возникла мода на сферы. Различные части нашей планеты и прилегающего к ней космического пространства получили названия в виде двухкорневых слов, где в качестве второго корня выступала сфера: космосфера, барисфера, склеросфера и т. д. Барисфера (греч. bаryx — тяжелый) — так называли область до глубины ~1200 км. Склеросфера (греч. skleros — сухой, твердый) — предполагалось, что верхняя часть Земли представляет собой хрупкую зону, которой ограничивается распространение на глубину разломов. Впоследствии такое представление было опровергнуто наблюдениями над глубокофокусными землетрясениями. Каждой из этих геосфер приписывался определенный объем и положение относительно других. Последнее обстоятельство привело к тому, что их стали делить на глубинные, поверхностные и наружные. Развитие наших знаний о строении Земли привело к тому, что число геосфер сократилось. Исчезли, например, понятия барисфера и склеросфера, практически не используется понятие космосфера. Пока подобные термины обслуживали потребности геологии и физики, смысл введенных таким образом понятий был достаточно ясен, их можно было описать количественно или отвергнуть.

Э. Зюсс ― геосферы по именам главных химических элементов, их образующих. Верхний слой Земли он назвал сиалью (по символам элементов (Si, Аl)). Слой под ним получил имя сима (Si и Mg). Ядро Земли получило название нифе, как производное от слов (Ni Fe), а область, промежуточная между симой и нифе, была разделена на верхнюю часть — хрофесима (Cr, Fe, Si, Mg) и нижнюю — нифесима (Ni, Fe, Si, Mg). В 1922 г. В. Гольдсмит придал определенный геохимический смысл четырем основным сферам и назвал их соответственно силикатовой оболочкой, эклогитовой сферой, сернисто окисленной рудной сферой и железо никелевым ядром. Большое внимание вопросу деления Земли на отдельные области и учению о геосферах уделял В. И. Вернадский. К сожалению, В. И. Вернадский оперировал в одних и тех же работах двумя терминами: геооболочка и геосфера, что, естественно, затрудняет их чтение. Иерархические модели, создаваемые с помощью геосфер, — полезны. При геологических исследованиях они представляют собой некоторые абстракции, необходимые в процессе познания Земли как целого. С 30 -х гг. нашего столетия выделение основных геосфер начинает увязываться с сейсмическими данными. Существенный прогресс был достигнут в 60– 70 е гг.

Основные характеристики оболочек Земли (согласно Г. В. Войткевичу (1988)) В — верхняя мантия, С — переходный слой, D — нижняя мантия, E — внешнее ядро, F — переходный слой, G — внутреннее ядро Оболочка Кора A Интервал глубин, км 0― 33 Интервал плотности, т·м– 3 . Доля от Масса, Масс объема а, Земли, % 102 % 2 кг 2, 7― 3, 0 1, 55 5 0, 8 Мантия В C D 33― 400― 1000― 2900 3, 32― 3, 65― 4, 68― 5, 69 16, 67 21, 31 44, 28 62 98 245 10, 4 16, 4 41, 0 Ядро E F G 2900― 5000― 5100― 6371 9, 40― 11, 5― 12, 0― 12, 3 15, 6 0, 28 0, 76 188 31, 5

В зарубежной научной литературе термин «геосфера» помимо обозначения одной из концентрических оболочек Земли часто употребляется и в двух других значениях: 1) просто для обозначения земной коры; 2) для общего обозначения земной коры, гидросферы и атмосферы. Нельзя сказать, какое из значений более употребительно. Более того, геосфера иногда включает ядро, мантию и все оболочки земной коры. Самой крупной из рассматриваемых сегодня наукой сфер является гелиосфера. Эта область простирается до расстояния ~120 а. е. от Солнца, где происходит наиболее сильное взаимодействие солнечного ветра с межзвездной средой. Внешняя область, занятая межзвездным газом, эффективно отделяется от области, заполненной плазмой солнечного происхождения, контактной поверхностью, называемой гелиопаузой. То, что происходит в области гелиопаузы, не безразлично нам, так как определяет модуляцию интенсивности приходящих галактических космических лучей и ряд других процессов.

Что касается биологии, то в ней появились такие понятия, как террабиосфера, фитосфера, зоосфера и т. д. Так, например, террабиосфера это часть геобиосферы, представляющая собой область жизни на поверхности суши и населенная террабионтами. При таком подходе она подразделяется на фитосферу и педосферу. В свою очередь фитосфера — синоним биосреды, фитогеосферы. Для анализа проблем, связанных с животным миром, используется термин «зоосфера» . Такие термины имеют ограниченную распространенность, в определенной степени это была просто дань моде и попытка замены таких хорошо устоявшихся терминов, как «фауна» и «флора» . Эти области, называемые иногда «биогеосферами» , имеют «лоскутную» структуру и обладают малым объемом. Если мы посмотрим Биологический энциклопедический словарь, то там терминов террабиосфера, фитосфера, зоосфера не обнаружим. Дань моде привела затем к дальнейшему словообразованию, появлению приставок из области общественных наук. Известный геолог А. Е. Ферсман ввел термин «техносфера» . Появились термины «антропосфера» и «социосфера» . Упомянутое выше разнообразие терминов свидетельствует о том, что данная область науки находится в стадии своего становления.