Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
190
Содержание
|
[1] 1. Введение [1.1] 1.1. Предмет, цели и задачи курса "Геоэкология" [1.2] 1.2. Основные понятия и определения в геоэкологии [1.3] 1.3. Понятие "ноосфера" и его специфика [2] 2. Основные механизмы и процессы, управляющие системой Земля [2.1] 2.1. Геосферы Земли, их особенности [2.1.1] 2.1.1. Литосфера Земли [2.1.2] 2.1.2. Гравитационная дифференциация [2.1.3] 2.1.3. Движение земной коры [2.1.4] 2.1.4. Экзогенные геологические процессы [2.1.5] 2.1.5. Внешние процессы, преображающие поверхность Земли [2.1.6] 2.1.6. Основные этапы формирования Земной коры [2.1.6.1] Геохронологическая шкала фанерозоя [2.2] 2.2. Географическая оболочка и геологическая среда [2.3] 2.3. Эволюция представлений о содержании понятий "экология" и "геоэкология" [2.4] 2.4. Объекты и предмет геоэкологии, экологические функции геосфер [2.5] 2.5. Социально-экономические факторы влияющие на экологические функции геосфер [2.6] 2.6. Современные концепции взаимоотношения природы, общества и человека [3] 3. ЭКОЛОГИЯ АТМОСФЕРЫ [3.1] 3.1. Основные особенности атмосферы [3.2] 3.2. Экологическая роль природных атмосферных процессов [3.3] 3.3. Антропогенные изменения атмосферы. Источники, загрязнители, загрязнения воздуха и их последствия [3.4] 3.4. Парниковый эффект, нарушение озонового слоя [4] 4. ЭКОЛОГИЯ ГИДРОСФЕРЫ [4.1] 4.1. Общая характеристика гидросферы [4.2] 4.2. Геоэкология Мирового океана [4.2.1] 4.2.1. Основные особенности Мирового океана [4.2.2] 4.2.2. Экологические последствия природных процессов в Мировом океане [4.2.3] 4.2.3. Экологические последствия деятельности человека в Мировом океане [4.2.4] 4.2.4. Загрязнение водной среды нефтью и нефтепродуктами [4.3] 4.3. Геоэкология гидросферы суши [4.3.1] 4.3.1. Общая характеристика гидросферы суши [4.3.2] 4.3.2. Экологически неблагоприятные природные процессы, обусловленные деятельностью вод суши [4.3.3] 4.3.3. Экологические последствия антропогенного воздействия на гидросферу суши [5] 5. ЭКОЛОГИЯ ГЕОЛОГИЧЕСКОЙ СРЕДЫ [5.1] 5.1. Общая характеристика геологической среды [5.2] 4.1. Современные геологические процессы [5.3] 5.2. Особенности геофизических и геохимических экоаномалий [5.4] 5.3. Воздействие на живые организмы некоторых геофизических и геохимических аномалий [5.5] 5.4. Характеристика неблагоприятных геодинамических процессов, влияющих на состояние геологической среды и биосферу [5.5.1] 5.4.1. Гравитационные процессы [5.5.2] 5.4.2. Экологически неблагоприятные явления, связанные с деятельностью подземных вод и процессами, протекающими в криолитозоне [5.5.3] 5.4.3. Экологическое значение процессов эндогенной геодинамики - вулканизма и землетрясений [5.6] 5.5. Космогеологические процессы и глобальное вымирание биологических видов [5.6.1] 5.5.1. Характерные признаки космогенных структур [5.6.2] 5.5.2. Возможная связь глобального вымирания видов с космической бомбардировкой Земли |
Курс "Геоэкология" - предназначен для изучения его студентами экологических специальностей. Его целью является овладение основами профессиональных знаний в области геоэкологии - новой комплексной науки среди наук о Земле. Задачи курса заключаются в изучении студентами современных представлений о следующем:
1) влиянии природных геологических и других процессов на условия существования живых организмов, человека и продукты его хозяйственной деятельности;
2) последствиях антропогенного воздействия на географическую и геологическую среду;
3) методах геоэкологических исследований.
Естественная природная среда является источником природных ресурсов, потребляемых обществом. Она дает людям кров, топливо, питьевую воду и минеральные вещества, необходимые для производства продуктов питания. Нарастающее антропогенное загрязнение природной среды угрожает здоровью и жизни людей. К огромным материальным и человеческим потерям приводят и вызванные техногенной деятельностью природные (и в первую очередь геологические) процессы. Именно этим определяется народнохозяйственное значение геоэкологии.
Геоэкология самым непосредственным образом связана с геологией, геофизикой, геохимией, гидрогеологией, географией, почвоведением, картографией и другими науками о Земле. В прикладном отношении из геоэкологии "вытекают" такие дисциплины, как "Охрана окружающей среды", "Рациональное природопользование", " Геоэкологическое картирование", "Мониторинг геологической среды".
Будучи молодой наукой, геоэкология еще не получила однозначного четкого определения, не имеет устойчивой терминологической понятийной базы. Термин "геоэкология" используется достаточно широко как в географических и геологических, так и в социальных и других науках при решении проблем природопользования и охраны окружающей среды. Трактовка его различна даже у исследователей одного научного направления.
Прежде чем рассмотреть термин "геоэкология", необходимо остановиться на понятийной терминологической базе, широко используемой в различных экологических дисциплинах (в том числе и в самой геоэкологии).
Существование и различные виды деятельности человека протекают на Земле в пределах так называемой окружающей среды. Под окружающей средой, которую правильнее называть, средой, окружающей человека, принято понимать систему взаимосвязанных природных и антропогенных объектов, в которых протекают труд, быт и отдых людей. Это понятие включает природные, социальные и искусственно создаваемые, различные по назначению и масштабам явления, прямо или косвенно воздействующие на жизнь человека. Факторы окружающей среды делятся на естественные (природные) и искусственные (антропогенные или техногенные).
Важнейшей составной частью окружающей среды является природная среда, объединяющая четыре геосферы Земли. Под геосферами понимают более или менее правильные концентрические слои, охватывающие всю Землю, меняющиеся с глубиной и обладающие характерными физическими, химическими и биологическими свойствами. Геосферы подразделяются на внешние и внутренние. К внешним относятся атмосфера и поверхностная гидросфера, к внутренним - подземная гидросфера, земная кора, мантия и ядро. Земная кора и верхняя мантия составляют литосферу, которая также относится к внутренним геосферам. Атмосфера, гидросфера и верхи литосферы образуют биосферу - сложную прерывистую оболочку Земли, являющуюся средой обитания биоты - живого "вещества" планеты. С термином "биосфера", введенным в науку австралийским геологом Э. Зюссом в 1875 г. и широко использовавшимся В.И. Вернадским [З], тесно смыкается термин "экосфера" Ю. Одума (1971), определявшего ее как сферу деятельности живых организмов и окружающую их среду. Многие ученые считают био- и экосферу синонимами. Использование термина "экосфера", по их мнению, нецелесообразно.
Биосфера, в свою очередь, распадается на ряд экосистем (или геоэкосистем).
Экосистемой называют любое сообщество живых организмов и его среду обитания, объединенные в функциональное целое. Размеры экосистем могут меняться от микроэкосистем (например, ствол гниющего дерева) до глобальной экосистемы, к которой, собственно, и относится биосфера.
Термин "экосистема" введен в экологию английским геоботаником Л. Тенели в 1935 г. Важнейшим среди экосистем считается биогеоценоз - единый взаимообусловленный природный комплекс, представляющий собой совокупность растений, животных и микроорганизмов с соответствующим участком земной поверхности - биотопом.
Таким образом, биогеоценоз - это совокупность биотических и абиотических факторов - биоценоза и биотопа (рис. 1.1). При этом под биотопом понимается участок земной поверхности, характеризующийся однородностью геологического строения, микроклимата, водного режима, рельефа и почвенного покрова.
В соответствии с другими определениями биогеоценоза во главу угла ставится однородный участок земной поверхности с определенным составом живых (биоценоз) и косных (почва и др.) компонентов и динамическими взаимодействиями между ними.
Многие исследователи рассматривают термины "экосистема" и "биогеоценоз" в качестве синонимов. Причем "экосистема" чаще используется американскими, а "биогеоценоз" - европейскими и российскими исследователями.
Таким образом, природная среда включает в себя биосферу с экосистемами (биогеоценозами), атмосферу, гидросферу и литосферу.
Перечисленные выше геосферы представляют собой природные оболочки Земли.
Рис. 1.1 Схема биогеоценоза
(Охрана ландшафтов. - М.: Прогресс, 1982)
Кроме них, выделяется также и искусственная (антропогенная) или техногенная " оболочка" – техносфера, созданная человеком среда обитания, являющаяся частью биосферы. Техносфера рассматривается как материальная часть общественной системы – социосферы, взаимодействующей с природной средой. В пределах техносферы выделяются хозяйственные (природно-технические, геотехнические, технические) системы, объединяющие материально-технические средства производственной и сопутствующей ей деятельности, а также технологические процессы. Такими хозяйственными системами являются промышленность, сельское хозяйство, строительство, жилищно-коммунальное хозяйство и т.д.
Биосфера преобразуется в качественно новое состояние - ноосферу, или сферу разума. Ноосфера выступает как особая оболочка Земли, в которой проявляется деятельность человеческого общества [3].
Ноосфера отражает духовную жизнь общества и, по мнению отдельных ученых, представляет собой вторую (первая - техносфера) часть социосферы.
Влияние человека на состояние компонентов окружающей среды возрастало по мере совершенствования его технического оснащения и возрастания потребностей. Первый закон об охране окружающей среды издал английский король Эдуард IV в 1273 г., запретив отапливать дома Лондона каменным углем, т.к. образовывалось много копоти. В 1388 г. был издан закон об охране р. Темзы в черте города. В XVI веке на первых географических картах Московского государства уже содержатся сведения об обмелении рек, возникшем в результате сведения лесов и распашки пойм. В "Морском регламенте", утвержденном Петром I в 1718 г., было запрещено сбрасывать в реки мусор или оставлять его на льду. Тогда же была утверждена должность наблюдателя за чистотой воды на верфях. В 1773 г. Н.И. Новиков издает книгу "Древняя Российская гидрография", где значительно уточняет информацию по преобразованию гидросети России. XVIII - XIX вв. - время начала научно-технической революции человечества. Открыты основные законы механики, электричества. Видные ученые того времени Вик д. Азир, Ж. Ламарк и др. обращают внимание человечества на деградационные процессы, фиксируемые в природе. О глобальности влияния человека на окружающую среду в своем известном труде "Космос" пишет А. Гумбольт. В 1876 г. Э. Реклю вводит понятие "географическая среда", под которой подразумевает пространство, испытывающее влияния деятельности человека. В 1866 г. Геккель выдвигает впервые термин "экология" как наука об отношениях организма с окружающей внешней средой. На Украине в 1910 г. было образовано первое "Общество охранителей природы". В трудах К. Маркса, Ф. Энгельса, В.И. Ленина изложены основы диалектико-материалистического понимания взаимоотношений общества и природы. В 1918 г. был принят закон о лесах РСФСР. В нем нашли отражение основные природоохранные положения. В 1921 г. был принят декрет "Об охране памятников природы, садов и парков".
В 1927 г. французскими учеными Э. Леруа и П. Гейяром введено понятие "ноосфера".
остановимся кратко на содержании и сущности понятия "ноосфера", а также постараемся определить его методологическое значение и соотношение с такими понятиями, как "антропосфера", "социосфера" и "техносфера".
В.И. Вернадский считал, что с возникновением человека и развитием его производственной деятельности к человечеству начинает переходить роль основного геологического фактора всех происходящих на поверхности планеты изменений. Этот тезис был подтвержден богатым фактическим материалом в работах ученика В.И.Вернадского А.Е.Ферсмана. Ныне положение о человечестве как геологическом факторе почти ни у кого не вызывает сомнений, поскольку изменения, вызванные человеком на планете, носят явно глобальный характер.
В этой связи перед людьми встает целый комплекс задач не только научно-технического, но и социального порядка, сводящихся к одной цели — не допустить, чтобы изменения природной сферы происходили во вред самим же людям и другим формам жизни, придать им разумно направленный характер. В этом случае биосфера будет переведена регулирующей деятельностью людей в качественно новое состояние, для отражения которого требуется соответствующее понятие. Поскольку это состояние возникает как функция разумной деятельности людей, В. И. Вернадский предложил использовать понятие "ноосфера".
Ноосфера — это целостная планетная оболочка Земли, населенная людьми и рационально преобразованная ими в соответствии с законами сохранения и поддержания жизни для гармоничного сосуществования общества с окружающими природными условиями. Понятие "ноосфера" станет центральным междисциплинарным понятием и будет играть важную роль в построении целостной системы знаний об окружающей общество природе во взаимосвязанности всех ее частей.
Может возникнуть вопрос: если понятие "ноосфера" относится к будущему состоянию природной среды, то какой смысл употреблять его теперь и чем оно лучше таких понятий как "антропосфера", "техносфера", "социосфера"? Прежде чем ответить, следует задуматься над одной социальной закономерностью, которая все более властно заявляет о себе по мере развития общества. Это закономерность возрастающего воздействия сознательно намечаемого будущего на настоящее.
Возможность такой временной инверсии возникла тогда, когда появился мыслящий субъект, организующий свои действия по заранее намеченному плану. Однако развитие общества в целом складывалось в значительной степени стихийно, и лишь возникновение глобальных проблем современности, и в особенности экологических проблем, побуждает страны мира перейти к стратегии сознательно регулируемого развития.
Первой попыткой такого перехода является предложенная миру Глобальным форумом "Рио-92" концепция устойчивого развития. Основная идея ее — развитие современного общества должно быть организовано таким образом, чтобы не наносить необратимого ущерба природной среде и не обездоливать последующие поколения людей в отношении необходимых им жизненных ресурсов.
Обеспечить такое развитие общества невозможно без перспективного планирования всех компонентов социума и прежде всего наличных ресурсов на планете и возможных вариантов их компенсации по мере истощения в будущем. Таким образом, концепцию устойчивого развития можно рассматривать как дальнейшую конкретизацию концепции В.И. Вернадского о ноосфере.
Применительно к социальным явлениям прогнозные понятия давно используются в общественных науках. Новизна ситуации заключается в том, что концепция ноосферы и концепция устойчивого развития кладут начало применению прогнозных понятий в социоприродной области знаний, где, кроме социальных, прогнозируются также природные события в их комплексной взаимосвязанности.
Совершенно непривычно применение перспективных понятий к состоянию природной среды. Правда, "ноосфера" — понятие, относящееся не только к природе, но и к обществу, это социоестественное понятие, тем не менее все равно непривычно такое его употребление. В дальнейшем, по-видимому, будет появляться много перспективных понятий, относящихся не только к социальным объектам, но и к природным: темпы изменения природы под воздействием человека стали вполне соизмеримы с темпами изменения общества. Но из этого вытекает, что сознательная регуляция изменений в природе начинает приобретать не меньшее значение, чем регуляция социальных изменений.
Понятие "ноосфера" играет роль важного методологического ориентира в изучении, контроле и регуляции изменений в природной среде. Оно подчеркивает, что эти изменения должны носить сознательно направляемый характер, чтобы не быть во вред самому обществу.
В последнее время термин "ноосфера" стал иногда употребляться слишком широко и неопределенно. Одни считают, что ноосфера уже образовалась как самостоятельная оболочка планеты помимо биосферы. Другие полагают, что ноосфера — это будущее состояние той части планеты, которая будет перестроена людьми на разумных основаниях. Третьи вообще возражают против самого употребления термина "ноосфера" ввиду его неопределенности, что создает, как они полагают, опасность путаницы в научной теории.
Многозначность термина "ноосфера" имеет давнюю историю, поскольку его авторы французские ученые Э. Леруа и П. Тейяр де Шарден изначально употребляли его в ином смысле, чем несколько позже сделал это В.И. Вернадский. Он развил дальше содержательную сторону понравившегося ему понятия. Этимология самого слова взята от сочетания греческих слов "noos" и "sphaira", что означает "сфера разума". Когда Э. Леруа впервые использовал это понятие в 1927 г., то имел в виду лишь формирование мыслящего пласта планеты с возникновением и развитием на ней существ, обладающих разумными способностями. В таком же смысле продолжал пользоваться этим термином и его друг Тейяр де Шарден в своей книге "Феномен человека".
В.И. Вернадский вкладывал в понятие "ноосфера" следующий смысл:
«Человечество, взятое в целом, становится мощной геологической силой. И перед ним, перед его мыслью и трудом, становится вопрос о перестройке биосферы в интересах свободно мыслящего человечества как единого целого. Это новое состояние биосферы, к которому мы, не замечая этого, приближаемся, и есть ноосфера».
Как видим, В.И. Вернадский рассматривал качественно новую сферу Земли в развитии, как становящийся процесс со всеми предпосылками в настоящем и зрелым состоянием в будущем, когда человечество станет "единым целым" и "свободно мыслящим". В этом смысле понятие "ноосфера" богаче по содержанию, чем обозначение зоны проживания людей на Земле.
учение В.И. Вернадского выделяет человека как мощнейшую геологическую силу, способную изменять планету и окружающее ее пространство в глобальном масштабе: "Ноосфера - есть новое геологическое явление на нашей планете. В ней человек впервые становится крупнейшей геологической силой. Он может и должен перестраивать своим трудом и мыслью область своей жизни, перестраивать коренным образом по сравнению с тем, что было раньше".
В.И. Вернадский также отмечал, что человек неразрывно связан с биосферой, уйти из нее не может, его существование есть ее функция, которую он несет с собой всюду, неизбежно изменяя ее.
Сам В.И. Вернадский видел противоречивость отдельных положений концепции о ноосфере как идей революционных, охватывающих наиболее острые проблемы человечества и его будущего. Поэтому эти вопросы и сейчас вызывают острые споры среди исследователей. Например, Ю. Одум (1986) считает, что несмотря на огромные возможности и способности человеческого разума к управлению природными процессами, тем не менее еще рано говорить о ноосфере, так как человек не может предугадать все последствия своих действий. Об этом свидетельствует множество возникших экологических проблем на нашей планете. Ряд ученых (Куражковский, 1992 и др.) полагают, что правильнее говорить в настоящее время лишь о существовании начальных стадий развития ноосферы (протоноосферы), имеющей принципиальные отличия от ее будущего состояния.
Поверхность планеты, заселенная людьми и качественно ими преобразованная, — это еще не ноосфера, поскольку отсутствует указание на характер преобразования. К такой поверхности скорее подходит понятие "антропосфера", если иметь в виду именно занятость людьми определенных участков планеты. В том случае, когда имеется в виду не только проживание людей в биосфере, но и то, какие вносятся в нее изменения производственной деятельностью как локального, так и глобального масштаба, целесообразно применение понятие "техносфера".
"Техносфера" — понятие гораздо более широкое, чем "антропосфера", поскольку охватывает не только все области на планете, куда проникают технические средства, но и всю совокупность техногенных изменений на планете. Например, изменение состава атмосферы или гидросферы в целом под воздействием людей.
По объему понятие "техносфера" фактически совпадает с техническим аспектам понятия "ноосфера", но не совпадает по содержанию, так как включает в себя отклонения природных объектов от естественного состояния, не только сознательно направленные, но и стихийные.
Наконец, понятие "социосфера" почти совпадает с понятием "техносфера", но в отличие от него включает в себя всю совокупность социальных факторов, характерных для данного состояния общества в его взаимодействии с природой. Социосфера — это конкретный этап развития биосферы в ноосферу.
Таковы, на наш взгляд, различие и связь терминов, обозначающих сферу взаимодействия общества и природы.
Поскольку понятие "ноосфера" характеризует необходимую для жизни направленность изменений, происходящих в биосфере под воздействием людей, оно имеет большое мировоззренческое значение как в теории, так и в организации практической деятельности.
Именно такую роль играла концепция "ноосферы" в мировоззрении самого В.И. Вернадского: "Ноосфера является основным регулятором моего понимания окружающего". Как видно из других его рассуждений, в свете этой концепции для него представала более обоснованной мысль о неуничтожимости цивилизации, на которую как на всякую материальную систему распространяются законы сохранения при условии соответствия системы среде существования. "Цивилизация культурного человечества — поскольку она является формой организации новой геологической силы, создавшейся в биосфере, — не может прерваться и уничтожиться, так как это есть большое природное явление, отвечающее исторически, вернее — геологически сложившейся организованности биосферы". Вернадский хорошо понимал не только существенное отличие общества от природы, но и необходимость самой тесной, органической связи общества с окружающей средой как с системно организованным целым. Из этой взаимосвязанности и согласованности законов общества и природы должны постепенно возникнуть законы, присущие ноосфере как социоестественному образованию, в котором социальное будет играть определяющую и организующую роль по отношению к природному.
Ведущая роль антропогенных процессов во всей совокупности происходящих в биосфере изменений стала с недавних пор, как показано выше, очевидным фактом. В то же время ведущая роль антропогенного фактора в системе биосферных процессов проявляется пока преимущественно в количественном отношении, и ее никак нельзя назвать качественно ведущей, а скорее наоборот. Воздействие общества на биосферу пока не способствует повышению ее организованности, устойчивости и целостности, т.е. не обеспечивает как раз качественных характеристик. Долго так продолжаться не может. Понижение организованности биосферы имеет предельные значения, которые опасно переступать. Создание ноосферы прежде всего означает обеспечение связанности социальных процессов с процессами, идущими в биосфере. Достичь этого трудно, но в принципе возможно и, самое главное, необходимо.
Качественно обособившись от природы, люди тем не менее не только генетически, но и всей своей жизнью, а главное материальным производством, теснейшим образом связаны с биосферой. Общество включается в структуру биосферы и должно, прежде всего, считаться с закономерностями ее развития как целостной системы. Воздействие человека на развитие биосферы столь велико, что по сравнению с ним меркнут все природные факторы. На протяжении всей истории биосферы процесс ее развития приводил к возникновению все более активных в эволюционном отношении компонентов, которые как бы воплощали в себе тенденцию дальнейшего развития, в то время как темпы развития других компонентов относительно замедлялись, а то и вообще сходили на нет (так называемые тупиковые ветви эволюции). Человеческое общество по своей активности резко выделяется из всех ранее существовавших компонентов. Впервые в истории биосферы возникает миграция атомов, не связанная с обязательным прохождением через живое вещество и обусловленная производственной деятельностью с помощью орудий труда. Наряду с геологическим и биологическим круговоротами вещества и энергии возникает производственный, вызванный к жизни людьми.
Принимая во внимание огромные масштабы воздействия человека на природу, следует на основании учения о биосфере как целостной системе разработать научные основы хозяйственной деятельности человека, в которых по возможности учитывались бы даже отдаленные последствия каждого сколько-нибудь крупного изменения, вносимого человеком в ландшафт.
В силу взаимодействия всех частей и элементов биосферы любое воздействие общества на природу через некоторое время возвращается в виде ответного воздействия природы на общество. По закону отражения это возвратное воздействие тем сильнее, чем существеннее было вмешательство со стороны человека. Отсюда вывод: чем более мощными средствами воздействия на природу обладает человек, тем обдуманнее и научно обоснованнее должны быть его действия по отношению к природе.
Преследуя практические цели, человек идет по пути упрощения естественных ценозов, предельно сокращая цепи питания. Он просто уничтожает все организмы, кроме нужных ему. На первый взгляд, это экономически оправдано. Однако научная истина не сводится к целесообразности, хотя и включает ее, и отношения с природой нельзя строить только на основе непосредственной выгоды. Верно заметил по этому поводу американский эколог А. Леопольд: «Один принципиальный дефект системы охраны природы, всецело основанной на экономической выгоде, связан с тем, что большинство членов наземных биоценозов не имеет никакого экономического значения... Однако все эти организмы являются членами биологического сообщества, и если (как я полагаю) стабильность сообщества зависит от его целостности, они имеют право на дальнейшее существование».
Речь идет, конечно, не о том, чтобы не вмешиваться в естественные процессы, а о том, чтобы вмешиваться квалифицированно, на основе знания особенностей взаимодействия различных организмов в биоценозах. Нельзя, как в давно прошедшие времена, идти по пути только упрощения биоценозов, особенно в деле охраны природы. Такие обедненные сообщества теряют устойчивость, становятся уязвимыми для вторжения других видов. Это действительно сложная задача — создать богатые разнообразные биоценозы с устойчивыми популяциями, каждая из которых испытывала бы сложные компенсаторные воздействия со стороны других членов сообщества. В создании таких сообществ должны широко и умело использоваться как химические, так и биологические средства воздействия и регулирования естественных процессов.
К сожалению, биологические методы воздействия на природную среду пока что применяются слабо и даже исследования поставлены недостаточно широко, несмотря на то, что эти методы более всего соответствуют законам биосферы и поэтому не причиняют такого большого вреда как, скажем, химические. В свое время стало известно о замечательном успехе иркутского микробиолога В. Талалаева в разработке биологических методов борьбы с одним из самых опустошительных вредителей хвойных растений — сибирским шелкопрядом. Созданный этим ученым препарат дендробациллин оказался эффективным не только в борьбе против многих лесных вредителей, но и показал неплохие результаты в ходе применения его против хлопковой совки, американской белой бабочки и т.д.
По-видимому, в воздействии на природные процессы целесообразно придерживаться следующего методологического принципа: наиболее эффективны методы, которые более всего соответствуют объективной логике самого природного комплекса и, чем сложнее управляемый объект, тем более комплексным должно быть воздействие на него. Законы развития ноосферы в соответствии со сложностью самой системы образуются как оптимальный синтез природных и социальных закономерностей при качественно ведущей роли социального фактора. В силу этого формирование ноосферы — сложный и длительный процесс, требующий определенных предпосылок и условий как объективного, так и субъективного характера.
Ноосфера формируется в конечном счете сознательной деятельностью людей на основе правильно познанных законов природной среды как системного целого, но технические и социальные предпосылки ноосферы возникают задолго до осознания людьми необходимости перехода к ноосфере. Ноосфера — это объективная необходимость развития общества в качественно новое состояние как закономерное продолжение освоения людьми организованности биосферы. Следовательно, организованность биосферы, объективно присущие ей закономерности развития можно рассматривать как природные предпосылки ноосферы. В таком случае техническими и социальными предпосылками ноосферы будут: достаточно высокий уровень развития техники и энергетического обеспечения; достаточно высокий уровень научных знаний; преодоление экономической, политической и расовой разобщенности людей при безусловном исключении из практики взаимоотношений народов каких-либо военных конфликтов.
Нетрудно заметить, что всем ходом развития современной техники обеспечивается возможность все большего единства действий людей на планете. С начала XX в. техническая оснащенность человечества возросла феноменально. Особенно заметен прогресс в развитии средств связи и сообщения, недаром наш век получил название века информации и века космических скоростей. С технической точки зрения человечество уже становится единым целым. Любое событие на нашей планете, в каком бы отдаленном районе оно ни произошло, может мгновенно стать достоянием всех благодаря современным средствам связи. Уже одно это вносит качественно новый момент в развитие общественного сознания и формирование общественного мнения. Возникла возможность чрезвычайной унификации этих важнейших феноменов человеческого общества.
Таким образом, можно выделить как одну из предпосылок ноосферы тенденцию к техническому единению человечества.
Интегративную в глобальном отношении тенденцию можно заметить и в развитии современной науки. Естественные и технические науки уже давно стали по сути дела общечеловеческим явлением, и тенденция эта продолжает нарастать особенно в последнее время в связи с международными задачами по охране природной среды и рациональному использованию природных ресурсов.
Что касается международных отношений, то здесь силы, противостоящие объединению народов на демократических, равноправных началах, пока еще удерживают свои позиции. Однако силы мира, демократии и единства растут и крепнут с каждым годом. В основе политики миролюбивых стран лежит оптимистическая концепция возможности предотвращения войн в современную эпоху, когда силы мира превосходят силы войны, поскольку сторонники мира составляют подавляющее большинство людей всей планеты.
Следует также учесть такой факт, что само развитие военной техники достигло такого уровня, когда применение оружия становится опасным для обеих воюющих сторон и поэтому теряет смысл. Снова подтверждается, таким образом, что тенденция развития техники и социальных отношений сходятся в одном фокусе — необходимости единения человечества.
Наконец, еще одно обстоятельство должно быть отмечено в числе объективных предпосылок ноосферы. Это опасность экологического кризиса, связанная с тем, что современные масштабы производства и сопутствующих ему отходов превышают возможности естественной саморегуляции биосферы. Переход со временем на новую технологию производства и сокращение отходов позволят на какой-то период снять давление на биосферу, но дальнейшее наращивание масштабов производства обязательно потребует от людей все более широкого применения искусственных средств регуляции равновесия в биосфере. Будущее общество сможет развиваться только при условии сознательной регуляции биосферных процессов, поскольку естественные способы регуляции биосферы не смогут образовываться по отношению к такому динамичному и качественно отличному компоненту, каким является общество. Значит, опасная степень рассогласования связей между природой и обществом сама становится отрицательной социоестественной предпосылкой перехода к ноосфере.
Необходимость перехода к ноосфере выступает как способ устранения экологического кризиса и одновременно как способ существования общества во взаимодействии с природной средой при достижении техническими средствами и наукой достаточно высокой степени развития, требующей новой интеграции человечества. Невольно напрашивается историческая аналогия. Точно так же, как первобытный человек не мог противостоять природе вне коллектива в силу крайней неразвитости тех орудий труда, которыми он пользовался, современный человек не может больше воздействовать на природу, руководствуясь только своими личными целями, ибо средства производства, которыми он теперь располагает, достигли такого уровня, что могут вызвать в природе слишком быстрые и некомпенсируемые изменения, вредные для общества в целом. Необходимость восстановления общественных приоритетов в использовании средств производства в силу их высокого развития может рассматриваться как одно из проявлений закона отрицания отрицания в истории человечества.
В совокупности всех предпосылок ноосферы следует подчеркнуть как наиболее важную и одновременно являющуюся социальным условием нового состояния планетной оболочки необходимость перехода всего человечества к более высокой степени социальной интеграции. Человечество может выжить только как единое целое. Это положение последовательно проходит во взглядах В.И. Вернадского, выступая по существу естественнонаучным обоснованием нового состояния общества. Особенно замечательно в этом отношении высказывание В.И. Вернадского в последней статье, посвященной ноосфере, где он подчеркивает соответствие идеалов мира и демократии законам природы и процессу становления ноосферы.
«Мы пошли по правильному пути, который отвечает ноосфере. Ноосфера — последнее из многих состояний эволюции биосферы в геологической истории — состояние наших дней». Под «нашими днями» ученый в данном случае имеет в виду время развития человечества, взятое в сравнении с "геологической историей". Если же принять во внимание весь дух рассуждений В.И.Вернадского, то ясно, что, по его мнению, ноосфера находится в начале своего развития и идет к расцвету, что человек пока меняет лик планеты лишь отчасти сознательно, а "главным образом бессознательно" и что о "ноосфере" в полном смысле можно будет говорить лишь тогда, когда по возможности будет исключено стихийное изменение природных условий жизни людей в опасном для них направлении.
В последние годы для изучения ноосферной стадии эволюции биосферы стали применять математическое моделирование, которое позволит получить обширную информацию о возможном состоянии среды, вследствие крупномасштабных воздействий на нее человека. Самой грандиозной попыткой такого подхода послужил экспериментальный комплекс "БИОСФЕРА-2" в Аризоне (США). Его объем составил около 200 тыс. м3, площадь прозрачного покрытия - около 16 тыс. м2, в нем были размещены различные биомы: влажно тропические леса, саванна, пустыня, болота, океан, агроэкосистема и жилые комплексы (8 исследователей). Так, влажнотропические леса включили более 300 видов высших растений; саванна была представлена африканскими акациями, 35 видами злаков, бобовых; воспроизведена экосистема кораллового рифа с гигантскими моллюсками и креветками. Из позвоночных в комплекс были введены: полуобезьяна галаго, пантеровая черепаха, ящерицы, лягушки и др. В агроэкосистеме имелись рисовые чеки, посевы зерновых, обеспечивающие питание ученым (Природа, 1993, № 10). Этот почти двухгодичный эксперимент позволил смоделировать сложные биогеохимические циклы биофильных элементов (азота, фосфора, серы и др.), изучить особенности круговорота диоксида углерода (составил всего 4 дня) и т.д. Но в то же время он выявил существенные нарушения "биосферного" равновесия в комплексе; повышенное содержание СО2, уменьшение содержания кислорода с 21 до 16%, гибель некоторых видов растений и животных, недостаточную в сравнении с ожидаемой продуктивность культурных растений и т.д.
Аналогичный микрокомплекс "БИОС-3" (объемом 300 м3) был сконструирован в институте биофизики СО РАН с 2-3 испытателями, где выращивали сельскохозяйственные культуры, их убирали и перерабатывали урожай (Гительзон, Лисовский, 1994). В результате эксперимента было установлено, что система жизнеобеспечения, основанная на биологическом круговороте, реально осуществима и содержит в себе возможности дальнейшего совершенствования. Такие малые искусственные экосистемы скорее всего являются моделью ноосферы, что может послужить основой для разработок новых принципов природопользования. Именно такой ноосферный подход будет стимулировать ослабление нагрузки на биосферу и сохранение ее основных структур, достаточность природных ресурсов и гарантированность развития человечества в будущем. Не случайно В.И. Вернадский в письме к И.И.Петрункевичу (Новый мир, 1989, № 12 с. 212) писал: "Я считаю мало вероятным, с точки зрения естественных земельных процессов, опасение гибели цивилизации, о которой сейчас многие думают..."
Основными принципами ноосферы являются:
1) взаимосвязь законов природы с законами мышления и социально-экономическими законами;
2) сохранение естественных закономерностей, присущих биосфере при высоком уровне развития производительных сил;
3) научная организация воздействия общества на природу;
4) ноосфера - есть комплексное образование развивающегося общества и изменяемой природной среды;
5) управление всеми важнейшими процессами в ноосфере.
Таким образом, из сказанного выше можно сделать следующие выводы:
• По структуре биосфера представляет собой качественно разнородное и в количественном соотношении компонентов диссимметричное образование. Живое вещество играет ведущую роль в развитии биосферы, кинетически переключая преимущественное движение вещества и энергии от неживой природы к органическому миру.
• С возникновением человека на Земле эта тенденция усиливается по мере возрастания динамизма человеческой производственной деятельности. Тем самым начинается процесс формирования ноосферы.
• Точно так же, как раньше живое вещество планеты сформировало своей жизнедеятельностью биосферу, человеческому обществу суждено продолжить эту закономерность и стать фактором, организующим новую планетную оболочку — ноосферу как специфическую природную среду своего развития. Естественной основой формирования этой оболочки должна стать биосфера, организованность которой и процессы саморегуляции воспроизводятся в ноосфере как условие существования и сохранения всех форм жизни на Земле и человеческой в том числе.
• Ноосфера — это понятие, ориентирующее человечество в оптимальном выборе пути дальнейшего развития и сохранения человеческого общества в гармонии с природой.
Для того, чтобы понять и представить масштабы геоэкологического воздействия человека на окружающую среду, необходимо рассмотреть некоторые вопросы, связанные с глубинным строением Земли.
Земля – одна из внутренних планет солнечной системы, расположенных на относительно небольшом расстоянии от Солнца. Это (Меркурий, Венера, Земля, Марс) так называемые каменные планеты, состоящие из твердых, в основном силикатных пород. Размеры Земли и расстояние ее до Солнца принимаются при сравнении с другими планетами за единицу.
Земля – несколько сплющенный у полюсов эллипсоид с экваториальным радиусом 6378 и меридиональным – 6357 километров. Разница радиусов незначительна по сравнению с перепадами земного рельефа (до20 километров) между океаническими впадинами глубиной более 11 километров и высочайшими горами – выше 8 километров (Эверест).
Земля – третья от Солнца планета. Средний радиус ее орбиты 150 миллионов километров. Расстояние от Солнца не столь близкое, как у горячих планет Меркурия и Венеры, и не столь удаленное, как у холодного Марса. Земле достаются умеренно теплые солнечные лучи. По новейшим данным, масса Земли составляет 6 1021 т, объем — 1,0831012 км3, площадь поверхности — 510,2 млн км2. Размеры, а следовательно, и все природные ресурсы нашей планеты ограничены.
В этих условиях быстро происходило охлаждение земной атмосферы, из водяных паров образовалась вода, возникла гидросфера – водяная оболочка Земли, какой лишены другие планеты. А гидросфера под живительными лучами Солнца породила жизнь, которая в дальнейшем способствовала обогащению земной атмосферы кислородом. С расцветом жизни возникла биосфера, появился венец творения – человек, а с ним ноосфера – область активной деятельности человека, которая представляет также важную геологическую силу. Таковы многие следствия выгодного положения Земли относительно Солнца.
Земля неоднородна по своему составу, на глубинах ее, как предполагают, находятся тяжелые плотные массы. К этому выводу еще в прошлом веке пришел известный французский ученый А. Добре. Он отметил, что вычисленная Ньютоном в 1736 году (по отношению объема и массы) плотность земли значительно больше, чем плотность горных пород, известных нам на ее поверхности (удельный вес гранитов 2,8 грамма в кубическом сантиметре). А, следовательно, рассуждал этот ученый, на глубине должны находиться более тяжелые массы. Чтобы представить возможный состав глубинных недр земли, А Добре в середине прошлого обратился к метеоритам. Он считал, что метеориты образовались из обломков разрушенных планет, похожих на Землю, и поэтому по ним можно представить и состав нашей Земли.
Рис. 2.1. Вид Земли из космоса
Среди метеоритов - космических тел, падающих на Землю, - уже давно были известны разные их типы: металлические или железные, содержащие кроме железа, также никель; железокаменные и преобладающие – каменные. По мнению А. Добре, именно такой материал и слагает нашу Землю. Тяжелый материал из железа и никеля сконцентрировался в ядре планеты, которое было названо «нифе» (никель – железо). Оболочку ядра, сложенную тяжелыми силикатами железа и магния, сходными по составу с каменными метеоритами, назвали «сима» (силиций и магний). Подобные породы действительно находят среди ультраосновных (бедных кремнекислотой) силикатных пород – перидотитов, встречающихся в глубинных трещинах земной коры. Самую внешнюю легкую оболочку назвали «сиаль». Для нее характерны породы типа гранитов, богатых алюминием и кремнеземом.
С момента открытия Добре зонального открытия Земли – представления о металлическом ядре и силикатных оболочках – прошло много времени, но основные положения предложенной им схемы сохранили силу. Остались и старые термины, геологи говорят о симатической и сиалической оболочках Земли. Эти преставления подтвердились исследованиями геофизиков.
Основной метод изучения земных недр – глубинное сейсмическое зондирование – основан на изучении распространения сейсмических волн при искусственных взрывах или землетрясениях. Скорость их распространения закономерно возрастает от 5 километров в секунду во внешней оболочке земли до 11 в ее центре, что объясняется повышением плотности земных масс с глубиной. На этом фоне отмечаются и «скачки» – перепады скоростей, отвечающие внутренним поверхностям разделов сфер различной плотности.
Современная модель глубинного строения Земли, по данным сейсмических исследований, такова. В центре Земли находится твердое металлическое ядро, отвечающее представлениям о «нимфе» и сходное по составу с железными метеоритами. Внутреннее ядро облекается внешним ядром тоже металлического состава, но жидким (в нем не распространяются, как это происходит в твердой среде, поперечные сейсмические волны). Предполагают, что именно в этой жидкой оболочке и находится генератор магнитного поля Земли.
Советские ученые С. Монин, О. Сорохтин и Л. Зоненшайн недавно высказали предположение, что на границе внешнего ядра с облекающей его твердой оболочкой (мантией) происходит стягивание тяжелых металлических элементов к центру Земли, что приводит к разрастанию металлического ядра планеты, и идут процессы плавления и химического разделения расплавов. Эти же авторы предполагают, что у границы внешнего металлического ядра находится оболочка из окислов железа.
Широко распространено представление, что мантия Земли состоит из силикатов железа и магния. Мантию сравнивают с каменными метеоритами или хондритами (метеоритами, состоящими из округлых шариков – хондр), в составе которых участвуют железомагнезиальные силикаты, а также с ультраосновными, бедными кремнеземом породами типа перидотитов. Их находят в глубинных частях долин на континентальных склонах океанического дна и в массивах ультраосновных пород, образованных из глубинных расплавов, поднимающихся по трещинам под действием тектонических сил. Внешне мантию можно представить как серовато-зеленую породу типа змеевика, который применяют в скульптуре и в архитектуре.
В мантии выделяют две части: нижнюю и верхнюю. Границы между ними очень отчетливы. В верхней мантии примечателен один слой на глубине 100-120 километров от поверхности Земли, где резко падает скорость сейсмических волн. Полагают, что здесь лежит ослабленная зона частичного плавления – астеносфера. Считают, что именно она ответственна за многие процессы, зарождающиеся в глубинах Земли: внедрение расплавов, тектонические движение земной коры и др.
Выше астеносферы располагается литосфера – верхняя твердая оболочка, объединяющая верхнюю часть мантии и земную кору. Схема строения литосферы приведена на рис 2.2. Границу коры и мантии Земли устанавливают по четкой поверхности раздела, отмеченной перепадом скоростей сейсмических волн. Эта поверхность названа по имени ее первооткрывателя, югославского геофизика Мохоровича, поверхностью Мохо, или поверхностью М. В океанах она находится на глубинах 5-10 , на континентах в среднем 50 километров. Выше лежит «базальтовый слой» (скорость распространения волн такая же, как в базальтах), а еще выше – «гранитный слой», тоже назван условно по сравнению скоростей распространения волн с типовыми в гранитах. Самую внешнюю оболочку образует осадочный слой.
Главную часть Земли – 1/2 ее радиуса и более 60 процентов массы – составляет мантия. Это отвечает и большому распространению каменных метеоритов, из которых, как считают, возникла мантия. В два раза меньше по массе ядро (радиус внутреннего твердого ядра 1271, а поперечник жидкого внешнего – 2200 километров.). Ничтожно мала мощность земной коры – всего 1/200 радиуса Земли, тонкая пленка на ее поверхности! И еще тоньше осадочная внешняя оболочка.
Рис. 2.2. Схема строения литосферы
Земная кора – это верхняя часть литосферы. Внешняя граница земной коры соприкасается с гидросферой, атмосферой и биосферой.
Нижняя граница проходит на глубине 8-80 километров. Эту нижнюю границу называют разделом Махоровича. Положение земной коры между мантией и внешними оболочками (атмосферой, биосферой, гидросферой) обусловливает воздействия на нее внешних и внутренних сил земли.
Строение земной коры неоднородно, верхний слой, который колеблется до 20 километров, сложен осадочными породами: песком, глиной, известняком и др. Строение осадочных пород подтверждают данные, полученные при изучении кернов бурильных скважин, а также результатов сейсморазведки. Породы эти рыхлые. Скорость прохождения сейсмоволн невелика. Ниже, под материками расположен так называемый гранитный слой, сложенный породами, плотность которого соответствует плотности гранита. Скорость прохождения сейсмических волн в этом слое, как в граните, равна от 5,5 до 6 км/с. Под океанами гранитный слой отсутствует. На материках в некоторых местах гранитный слой выходит на поверхность.
Еще ниже расположен слой, в котором скорость сейсмоволн 6,5 км/с. Такая скорость распространения характерна для базальта, следовательно, несмотря на то, что этот слой сложен разными породами, его называют базальтовым.
Граница между гранитными и базальтовыми слоями называется поверхностью Конрада. Этому разделу соответствует скачек 6 – 6,5 км/с.
В зависимости от строения и мощности выделяют два вида земной коры – материковую и океаническую.
Под материками кора содержит все три слоя (осадочный, гранитный, базальтовый). Мощность коры на равнинах достигает 15 километров, а в горах достигает 80 километров. В океанах во многих местах кора вообще отсутствует, а базальты покрыты тонким слоем осадочных пород. В глубоководных слоях океана мощность коры составляет от 3 до 5 километров.
Главной движущей силой расслоения земного вещества и выделения тепла, кроме радиоактивного распада, была гравитационная дифференциация. При этом вещества, обладающие большой массой и плотностью, опускались на глубину, а более легкие как бы всплывали на поверхность. В результате этого возникли оболочки, т.е. началось расслоение земного шара.
В течение длительного времени внутри Земли скопилось колоссальное количество тепла, что вызвало частичное расплавление недр. Во внутренних частях Земли концентрировались тяжелые элементы и соединения, а на периферии скапливались сравнительно легкие. Это в конечном итоге привело к разделению земных недр на ядро и мантию. Ядро Земли состоит в основном из железа и никеля, а в мантии преобладают силикаты. В нижней мантии вещество в настоящее время находится в особом, плотном кристаллическом состоянии и имеет очень высокую температуру.
Под действием тепла происходит перемещение вещества и в мантии развиваются медленные конвективные течения. В различных слоях вещества образуются определенные ячейки. В одних ячейках осуществляется подъем, а в других – опускание.
Самой простой является конвективная ячейка, охватывающая всю мантию с одним центром подъема вещества из мантии и с одним центром опускания. Так в конце палеозойской эры образовалась Пангея – гигантский материк.
Более сложная ситуация обусловливается парой конвективных ячеек. Здесь образуется глобальная зона растяжения с цепочкой срединно-океанических хребтов.
Сепарация вещества в недрах Земли протекает довольно медленно, но за длительную историю мантийный материал множество раз совершил полный кругооборот. Отзвуком грандиозных явлений и событий, происходящих на глубинах, являются бурная вулканическая деятельность, сильнейшие землетрясения. За счет глубинных процессов движутся литосферные плиты, образуя горные массивы, меняется уровень Мирового океана и т.д.
Земная кора совершает непрерывные и разнообразные движения. Некоторые движения совершаются очень медленно и не воспринимаются органами чувств человека. Другие, как землетрясение, носят разрушающий характер. Известно, что на границе литосферы и мантии температура равна 1500 С. При этой температуре материя должна либо расплавиться, либо превратиться в газ. При переходе из твердого состояния в жидкое или газообразное объем увеличивается и увеличивается внутреннее давление, однако этого не происходит, так как перегретые породы находятся под давлением вышележащих слоев литосферы. Возникает эффект парового котла, когда стремящаяся расшириться материя давит на литосферу, приводя ее в движение вместе с земной корой. При этом чем выше температура, тем больше давление и тем активнее движется литосфера. Особо сильные очаги возникают в тех местах в мантии, где концентрируются радиоактивные элементы, распад которых разогревает слагающие породы до еще больших температур. Движения земной коры под действием внутренних сил Земли называют тектоническими, эти движения разделяют на колебательные, складчатые и разрывные.
Колебательные движения – очень медленные движения и незаметные для человека, следовательно, такое движение назвали вековым или эпейрогеническими. При этом движении земная кора в одних местах опускается в других поднимается.
Складкообразовательное движение – это движение, когда пласты горных пород под действием внешних сил сминаются в складки. Когда давление направлено по вертикали – породы смещаются, по горизонтали – сжимаются в складки, форма складок может быть самой разнообразной. Однако основные составляющие могут быть представлены следующими видами:
геоантиклиналь (антиклиналь) – это складка, направленная куполом вверх;
геосинклиналь (синклиналь) – это складка, направленная куполом вниз.
Подобные складки образуются на больших глубинах при высоких температурах и высоком давлении. А затем под действием внутренних сил они могут быть подняты. Так возникают складчатые горы: Кавказские, Альпы, Гималаи, Анды и др.
Разрывные движения – когда горные породы недостаточно прочны, чтобы выдержать действия внутренних сил, и в земной коре образуются трещины, разломы и смещения горных пород. Опустившиеся участки называются грабенами, а поднявшиеся горстами. Чередование горстов и грабенов создает глыбовые или возрожденные горы. Возрожденные горы отличаются от складчатых как по внутреннему строению, так и по внешнему. Склоны этих гор отвесны, долины, как и водоразделы, широкие и плоские. Пласты горных пород, всегда смещены относительно друг друга. Опустившиеся участки грабены часто заполняются водой, образуя глубокие озера.
Весьма существенное место в формировании условий обитания живых организмов, и прежде всего человека, принадлежит экзогенным геологическим процессам (ЭГП).
Под ЭГП понимается совокупность необратимых дискретных изменений состава, строения и состояния геологической среды (отдельных наименее устойчивых ее элементов), происходящих в результате естественных процессов энергомассообмена в зоне контакта лито-, атмо- и гидросферы, а также хозяйственной деятельности человека.
В настоящее время общепринятой классификации экзогенных геологических процессов не существует.
ЭГП являются одним из основных факторов, определяющих экологическое состояние геологической среды.
Многообразные по механизмам развития, характеру и интенсивности проявления на земной поверхности, ЭГП временами создают обстановку, несовместимую с минимальными требованиями к комфортности жизнеобитания.
Катастрофические проявления характерны для различных по генезису ЭГП. Многие из них могут вызвать человеческие жертвы и огромный материальный ущерб за короткий промежуток времени. Другие менее опасны с экологической точки зрения, не представляют непосредственной угрозы жизни человека, менее разрушительны, их ощутимое воздействие, причиняемый ущерб накапливаются за достаточно длительное время.
По данным Р.Шустера, полученным на основании многолетних исследований [152], прямые и косвенные убытки только от оползней и селей в США превышают 1 млрд дол/год. Сопоставимый по величине материальный ущерб отмечается и для таких стран, как Россия, Япония, Италия. В отдельных случаях катастрофическая активизация оползней и селей вызывает гибель десятков тысяч людей (Китай, 1920 г.; Перу, 1970 г.; Колумбия, 1980 г. и др.).
В целом степень катастрофичности или опасности ЭГП определяется их механизмом и генетическими особенностями: интенсивностью проявления, характеризуемой показателями пораженности территории (геологической среды), многолетней и внутригодовой повторяемостью.
Механизм и генетические особенности ЭГП обусловливают основные показатели опасности – размеры (площадь и объем проявления), скорость протекания процесса, дальность действия, размеры зоны поражения. В качестве примера приведена классификация оползней и селей по объему перемещаемых грунтовых масс.
Таблица 2.1
Классификация оползней и селей по объему перемещаемых
грунтовых масс, м3
|
Классификация |
Объём перемещаемых грунтовых масс, м3 |
|
Мелкие Небольшие Довольно большие Большие Очень большие Огромные Грандиозные |
Десятки Сотни Тысячи Десятки тысяч Сотни тысяч Миллионы Десятки, сотни миллионов и более |
Объем отдельных оползней может достигать миллиардов кубометров. Так, например, в 1911 г. на Памире (Таджикистан) во время сильного землетрясения произошел оползень объемом 2,2 км3, похоронивший под собой кишлак Усой вместе с 54 жителями и перегородивший р. Мургаб, в результате чего на высоте более 3,2 км образовалось Сарезское озеро объемом 18 км3.
На основании изучения механизма ЭГП, учета генетических особенностей их проявления, анализа материалов и данных о развитии и воздействии на геологическую среду и сферу жизнедеятельности человека можно составить ряд, убывающий по их относительной экологической опасности и катастрофичности (внезапности проявления): оползни, сели, обвалы, карст, абразия, русловая эрозия, просадки, овражная эрозия, подтопление, заболачивание и т.д. По данным изучения ЭГП в различных странах, регионах, природно-климатических условиях известно, например, что развитие таких процессов, как оползни, сели, обвалы и карст может привести к грандиозным разрушениям и катастрофам. Абразия, русловая эрозия, просадки могут вызвать значительный материальный ущерб, привести к чрезвычайным ситуациям. Развитие в течение длительного времени овражной эрозии, заболачивания приводит к сокращению площадей и потере сельскохозяйственных угодий, разрушению дорог.
Площадной (региональной) характеристикой экологической опасности ЭГП является интенсивность их проявления, количественно оцениваемая показателем пораженности территории. Этот показатель определяется как отношение суммарной площади форм проявления данного процесса, распространенного на конкретном участке, к общей площади этого участка (территории), т.е. безразмерным коэффициентом, меняющимся от 0 до 1. Во многих регионах России (Северный Кавказ, Черноморское побережье, Поволжье, зона БАМа) коэффициент пораженности территории ЭГП достигает 0,6-0,8 и более.
Освоение и хозяйственное использование таких территорий связаны с большим социально-экономическим риском и требуют значительных средств по защите от ЭГП. Стоимость инженерной подготовки территорий с высокой интенсивностью проявления ЭГП может в несколько раз превышать стоимость проектируемых объектов. Опыт освоения и использования территорий с интенсивным проявлением ЭГП показывает назревшую необходимость инженерно-геологического и экологического нормирования территорий, жесткого регламентирования хозяйственной деятельности.
О значимости ЭГП как важнейшем экологическом факторе можно судить по подверженности населенных пунктов, различных хозяйственных объектов его воздействию. В результате специального инженерногеологического обследования практически всей территории Российской Федерации организациями Министерства геологии СССР было установлено, что в России более 10 тыс. крупных населенных пунктов, в том числе 120 городов с населением 100 тыс. человек и более, в той или иной степени подвержены воздействию различных ЭГП. Тысячи различных хозяйственных объектов (железные и автомобильные дороги, нефте- и газопроводы, гидротехнические сооружения) постоянно испытывают разрушительное действие ЭГП различных генетических типов.
По результатам выполненного обследования для всех субъектов Российской Федерации составлены карты условий развития и интенсивности проявления ЭГП масштаба 1:200 000-1:500 000, а также карты и каталоги подверженности населенных пунктов и хозяйственных объектов воздействию ЭГП. Материалы обследования являются объективной основой планирования мероприятий по защите от негативного воздействия этих процессов. В настоящее время они обобщены под методическим руководством ВСЕГИНГЕО в недавно изданной карте “Экзогенные геологические процессы России” масштаба 1:2 500 000.
Наибольшую опасность ЭГП представляют в горных районах. Это связано с высокой энергией рельефа, сейсмичностью территории, интегральным проявлением здесь парагенетических комплексов ЭГП. Развитие или активизация отдельного процесса в горах может не представлять прямой угрозы, но его последствия могут носить катастрофический характер. Классическим является пример Айнинского оползня в долине р. Зеравшан в апреле 1964 г. Оползень объемом 20 млн м3 сошел с левого склона долины и, не причинив особого вреда, перекрыл русло реки. Весенний паводок привел к быстрому формированию озера. Было установлено, что при катастрофическом его прорыве (в любой момент) образуется селевый паводок, способный стереть с лица земли все расположенные ниже по течению населенные пункты, в том числе г. Самарканд.
Угрозу удалось ликвидировать, но проблемы такого рода остаются нерешенными во многих горных районах России и других стран.
Особую опасность представляют собой техногенное развитие или активизация ЭГП. Их проявления носят внезапный катастрофический характер и имеют разрушительные последствия. В качестве примера можно привести техногенную активизацию карста в 1969 и 1977 гг. в Москве в районе Хорошевского шоссе, приведшую к разрушению домов. Развитие просадочных явлений на территории Волгодонска, вызванное техногенным обводнением лёссовых пород, привело к полному разрушению ряда жилых домов и производственных сооружений в 1983 г.
Защита территорий и хозяйственных объектов от опасных геологических процессов основывается на различных по содержанию прогнозах активности их проявления. ВСЕГИНГЕО разработаны теоретические основы и методы прогнозирования ЭГП различных генетических типов. По заблаговременности предсказания следует различать следующие виды прогноза процессов: сверхдолгосрочные (до 100 лет), долгосрочные (до 10-20 лет), краткосрочные (до 1 года) и оперативные (от нескольких часов до нескольких суток).
Сверхдолгосрочные и долгосрочные прогнозы необходимы для разработки стратегии обеспечения безопасности населения и территорий, определения очередности проведения защитных профилактических мероприятий для крупных районов, регионов, субъектов Российской Федерации. На основании краткосрочных прогнозов составляются программы, проекты, схемы защиты и проведения мероприятий для отдельных районов, населенных пунктов и объектов с учетом прогнозируемой степени активности проявления процесса на год или период, предшествующий активизации. Оперативные прогнозы составляются тогда, когда началась активизация процесса, и на их основании разрабатываются конкретные мероприятия по обеспечению безопасности населения и ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций, связанных с ЭГП.
Впервые инженерно-геологические карты долгосрочных прогнозов активности проявления ЭГП (оползни, сели, абразия, эрозия) были составлены в 1975 г. для Черноморского побережья Украины, России и Грузии в масштабе 1:200 000 [180]. В дальнейшем подобные карты составлялись и для других регионов России (Северный Кавказ, зона БАМа). Оправдываемость прогнозов оказалась вполне удовлетворительной, особенно для периодов значительной и сильной активизации процессов. Например, высокая активность проявления оползней и селей, имевшая место на южном склоне Большого Кавказского хребта в пределах Грузии в 1987-1989 гг., была предсказана в 1975 г., а катастрофическая активизация оползней в 1989 и 1997-1998 гг. в горных районах Чечни была спрогнозирована в 1980 и 1989 гг. соответственно.
В 1984 г. организации Министерства геологии СССР на основе материалов специального инженерно-геологического обследования территории приступили к организации мониторинга ЭГП – качественно новому этапу изучения и прогноза этих процессов.
Мониторинг экзогенных геологических процессов (МЭГП) – это система регулярных наблюдений за активностью их проявления, прогнозирования их развития под воздействием природных и антропогенных факторов. В задачи МЭГП входит также разработка рекомендаций по предотвращению или ослаблению негативных последствий развития процессов, особенно по обеспечению безопасности людей. МЭГП является составной частью государственного мониторинга геологической среды, который входит в состав Единой государственной системы экологического мониторинга.
За последние годы ВСЕГИНГЕО разработаны необходимые для организации и ведения государственного мониторинга ЭГП нормативно-методические документы. В конце 80-х гг. во многих организациях Мингео СССР были начаты работы по организации наблюдательных сетей для изучения режима ЭГП. По состоянию на конец 1990 г. число наблюдательных участков составляло 1250 (в основном на европейской территории России). В настоящее время объемы режимных исследований на территории России сократились и носят эпизодический характер даже в регионах интенсивного их проявления.
Одновременно с внутренними тектоническими процессами действуют процессы внешние. В отличие от внутренних процессов, охватывающих всю толщу литосферы, они действуют только на поверхности Земли. Глубина их проникновения не превышает нескольких метров и, в исключительных случаях, сотен метров (например, глубокие пещеры, естественные выемки). Источником происхождения сил служит тепловая, солнечная энергия. Внешние процессы очень разнообразны, к ним относятся выветривание горных пород, работа ветра, воды и ледников.
Выветривание подразделяется на физическое, химическое и органическое.
Физическое выветривание – это механическое раздробление, измельчение горных пород, происходящее при резком изменении температуры. При нагревании горная порода расширяется, при охлаждении – сжимается. Так как коэффициент расширения различен, то процесс разрушения горных пород усиливается (горные породы это совокупность элементарных веществ). Ускоренному разрушению горных пород способствует вода, которая, проникая в трещины, замерзает в них, расширяется и разрывает горную породу на части. Наиболее активно физическое выветривание, происходит при резком изменении температуры в тех местах, где на поверхность выходят твердые магматические породы: гранит, базальт, сиениты.
Химическое выветривание происходит в результате действия на горные породы различных водных растворов. При этом, в отличие от физического выветривания, нередко происходят изменения химического состава и даже образование новых горных пород. Этот процесс происходит повсеместно, но особо интенсивен он в легко растворимых породах: известняке, гипсе, каламите.
Органическое выветривание – процесс разрушения горных пород живыми организмами: растениями, животными, бактериями. Например, лишайники, поселяясь на скалах, источают их поверхность выделяемой кислотой. Корни лишайника, также выделяют кислоту, плюс корневая система действует механически, разрывая породы. Дождевые черви, пропуская через себя органические вещества, преобразуют породу и улучшают доступ в нее воды и воздуха.
Выветривание и климат. Все виды выветривания протекают одновременно, но действуют с различной интенсивностью, зависит это не только от слагающих пород, а главным образом от климата.
В полярных странах наиболее активно проявляется морозное выветривание.
В странах с умеренным климатом и во влажных тропиках преобладает химическое выветривание.
Работа ветра. Ветер способен разрушать горные породы, переносить и откладывать твердые частицы, чем сильнее ветер, тем большую работу он может осуществлять.
Менее устойчивые горные породы (меньше твердость, меньше плотность) разрушаются быстрее, следовательно, возникают специфические эоловые формы рельефа (столбы, башни, каменные кружева, эоловые грибы). В песчаных пустынях, по берегам морей и крупных озер ветер создает специфический рельеф барханы и дюны.
Барханы – подвижные песчаные холмы серповидной формы. Определение возраста различных изверженных пород позволило не только установить продолжительность геологических периодов, но и выделить наиболее древние горные породы Земли. В настоящее время известно, что документированные следы жизни на Земле возникли свыше 3 млрд. лет, самые древние осадочные породы обладают возрастом немногим более 3,8 млрд. лет, а возраст Земли оценивается в 4,6 – 5 млрд. лет, хотя некоторые ученые считают эти цифры завышенными.
Установлено, что эпохи интенсивной вулканической деятельности были кратковременными и разделялись длительными эпохами со слабым проявлением магнетизма. Эпохи усоленного магнетизма характеризовались высокой степенью тектонической активности, т.е. значительными вертикальными и горизонтальными движениями земной коры.
Данные о возрасте изверженных пород дают возможность установить существование сравнительно коротких эпох повышенной магматической и тектонической активности и длительных периодов относительного покоя. Это позволяет провести естественную периодизацию истории Земли по степени тектонической и магматической интенсивности. Сводные данные о возрасте изверженных пород являются календарём основных тектонических событий в истории Земли. На основании исследований, главным образом, гранитных интрузий уточнен возраст тектономагматических циклов (эпох) в истории Земли. Вместе с тем необходимо отметить, что время проявления этих циклов на материках неодинаково и имеются частные отступления от планетарной единовременности этих процессов.
В далеком геологическом прошлом практически полностью отсутствуют фактические данные. Можно только предполагать, что до 3,5 млрд. лет назад существовал очень активный вулканизм с излиянием базальтовых и гипербазитовых лав. Одновременно выделяется значительный объем газа. Это привело к созданию не только земной коры, но и первичной атмосферы.
Таблица 2.1.1
Геохронологическая шкала фанерозоя
|
Эра |
Период |
Время, млн. лет |
Примечательные события |
|
|
Кайнозойская KZ |
Четвертичный |
1,8 |
Становление человека |
|
|
Неоге-новый N |
плиоценовая |
5±1 |
Расцвет приматов |
|
|
миоценовая |
22,5±1 |
|||
|
Палеогеновый P |
олигоценовая |
37,5±3 |
Расцвет лошадей и фауны открытых пространств |
|
|
эоценовая |
53,5±3 |
Первые приматы и лошади |
||
|
палеоценовая |
65±3 |
Расцвет млекопитающих |
||
|
Мезозойская MZ |
Меловой K |
135±5 |
Появление цветковых растений и хищных ящеров |
|
|
Юрский J |
190±5 |
Расцвет кораллов, аммонитов и динозавров, появление птиц |
||
|
Триасовый T |
230±10 |
Появление динозавров и млекопитающих |
||
|
Палеозойская PZ |
Пермский P |
285±15 |
Расцвет фузулинид, акул и звероподобных пресмыкающихся |
|
|
Каменноугольный C |
350±10 |
Расцвет земноводных |
||
|
Девонский D |
400±10 |
Расцвет рыб, первые леса |
||
|
Силурийский S |
435±15 |
Расцвет рифообразующих кишечно-полостных |
||
|
Ордовикский O |
490±15 |
Расцвет брахиопод и головоногих моллюсков |
||
|
Кембрийский Э |
570±20 |
Появление беспозвоночных с твердым скелетом |
В течение Белозерской тектономагматической эпохи в начале архейского эона и Кольской эпохи в середине архея протекали процессы гранитизации и возникали первичные осадочные бассейны. Для этого времени известны песчаные и глинистые (правда, подвергшиеся сильному метаморфозу) толщи, карбонатные породы и даже продукты их преобразования.
В Кеноранскую тектономагматическую эпоху в конце архейского эона были сформированы ядра будущих устойчивых крупнейших геоструктурных элементов Земли - ядра континентальных платформ. В последующие времена ядра платформ продолжали нарастать.(Эон – это промежуток времени, объединяющий несколько геологических эр).
В течение кеноранской, альгонской, раннекарельской, балтийской, буларенинской и карельской тектономагматических эпох сформировались фундаменты всех известных древних континентальных платформ: Восточно-Европейской, Сибирской, Китайской, Таримской, Индостанской, Африкано-Аравийской, Северо-Американской, Южно-американской и Восточно-Австралийской. На протяжении почти 1 млрд. лет (от 2,7 до 1,67 млрд. лет назад) происходило формирование первичного гранитно-гнейсового слоя земной коры, а наличие карбонатных осадочных пород способствовало формированию щелочных интрузий. Огромные гранитоиды площадью свыше тысячи квадратных километров в окружении древнейших осадочных пород зафиксировали в пределах континентальных платформ устойчивые в последующее время участки коры, называемые щитами. Примерами являются Балтийский, Украинский, Алданский, Канадский, Гвианский, Бразильский и Аравийский щиты.
Исходя из аналогичности и одновременности образования всех древнейших платформ, можно предполагать, что в протерозое существовал огромный единый континент Мегагея (или Большая Земля), окруженный единым Мировым океаном.
Начиная с 1,67 млрд. лет назад древние платформы, особенно щиты, становятся устойчивыми во времени и пространстве структурными элементами земной коры. Однако в пределах платформ в дальнейшем возникли участки плавного и сравнительно небольшого прогибания (синеклизы), происходило раскалывание коры вдоль систем глубинных разломов древних подвижных поясов. В этом случае возникали крупные протяженные впадины с высокой подвижностью – авлакогены. Таким, в частности, являются Катангский авлакоген на Африканской платформе или Днепровско-Донецкий на Восточно-европейской платформе.
На протяжении последующих тектономагматических циклов платформы или продолжали наращиваться за счет подвижных поясов, образующихся на их периферии, или раскалывались на две части и впоследствии испытывали перемещения с различной скоростью. В последний миллиард лет геологической истории наблюдалось постепенное угасание силы магматизма.
Готская тектономагматическая эпоха характеризовалась развитием на большинстве платформ гранитизации дорифейских пород и метаморфизма. В среднем и, особенно в позднем рифее, продолжались гранитизация в подвижных поясах и дальнейшее наращивание площади платформ.
Магматизм катангинской (раннебайкальской) и позднебайкальской тектономагматических эпох на платформах проявлялся по-разному. Однако их общей чертой являлось, с одной стороны, интенсивная складчатость, а с другой – раскол и перемещение крупных платформенных глыб (литосферных плит).
Результатом проявления ранне- и позднебайкальской тектономагматических эпох стало сближение и соединение в единый суперконтинент Гондвану пяти крупнейших континентальных платформ южного полушария – Африкано-Аравийской, Австралийской, Южно-американской, Антарктической и Индостанской, в северном полушарии располагались Восточно-европейская, Северо-Американская, Сибирская и Китайская платформы.
Каледонская тектономагматическая эпоха характеризовалась не только усилением магматизма, но и привела к подъему и образованию в северном полушарии нового суперконтинента Лавразии за счет объединения Северо-Американской, Восточно-европейской, Сибирской и Китайской платформ. Он отделяется океаном Тетис.
В отличие от более древних этапов, тектономагматические эпохи фанерозоя вследствие хорошей сохранности горных пород и их хорошей изученности подразделяются на целый ряд фаз, более коротких, чем эпохи. Фазы, так же как и сами тектономагматические эпохи, характеризуются высоким стоянием континентов над уровнем моря (преобладание вздымания), развитием магматизма и значительными тектоническими движениями.
Такие фазы носят название геократических. Они сменялись более продолжительными по времени талассократическими фазами, когда осуществлялось активное прогибание платформ и развивались трансгрессии, т.е. шло наступление моря на сушу.
В результате тектонической и магматической деятельности в каледонскую эпоху были образованы крупные горно-складчатые сооружения на западе Северо-Американской платформы (Аппалачи), в Центральной Азии (Центральный Казахстан, Алтай, Саяны, Монголия), в Восточной Австралии, на о-ве Тасмания и в Антарктиде.
В Герцинскую тектономагматическую эпоху произошло соединение в единый материк Пангею Гондванского и Лавразийского суперконтинентов. Также, как и около 1 млрд. лет назад, материк Пангея омывался единым океаном. Интенсивные горообразовательные процессы привели к возникновению крупных горных систем, носящих название герцинид. Все они располагаются на перифериях древних платформ. К ним относятся Тибет, Гиндукуш, Каракорум, Тянь-Шань, Алтай, Куньлунь, Урал, горные системы Центральной и Северной Европы, Южной и Северной Америки (Аппалачи, Кордильеры), северо-запад Африки, Восточная Австралия. В эту же эпоху в результате консолидации складчатых областей образовался целый ряд так называемых эпигерцинских плит или молодых платформ: значительная часть Западно-Европейской платформы, Скифская, Туранская, Западно-Сибирская плиты и др.
В Киммерийскую тектономагматическую эпоху произошли внедрение различного состава интрузий в пределы подвижных поясов, горообразование и распад Пангеи. В течение триасового, Юрского периодов и раннемеловой эпохи вновь возникли суперконтиненты Лавразия и Гондвана, разделенные молодым океаном Тетис и Южной Атлантикой. Горообразовательные процессы проявились главным образом на окраинах Лавразии. В это время возникли Крымские горы и горные системы Приверхоянья. Значительные движения испытали и ранее возникшие горные системы Аппалачей, Кавказа и Центральной Азии.
Альпийская тектономагматическая эпоха началась в конце мелового периода и продолжается до настоящего времени. С нею связаны не только внедрение интрузий кислого, основного и щелочного составов в подвижных поясах, возникновение океанов и континентов современного очертания, но и создание таких величайших горных систем, как Альпы, Динариды, Гималаи, Анды, Кордильеры и т.д.
Геохронологическая шкала создавалась с большим трудом и длительное время. До сих пор не прекращаются споры по поводу проведения многих стратиграфических границ. Иногда даже приходится созывать международные симпозиумы с тем, чтобы сообща договориться о том, где и как проводить границу той или иной стратиграфической или геохронологической единицы.
Благодаря созданию геохронологической шкалы геологическая наука сильно преобразовалась. Она превратилась в естественноисторическую науку. Происходившие в прошлом события стали распределяться в хронологическом порядке. Применение радиоактивности дало возможность решить проблему возраста Земли, метеоритов и Луны и количественно выразить длительность каждого геологического периода.
Слой, в котором происходит взаимодействие и взаимопроникновение литосферы, гидросферы и атмосферы, часто называют географической оболочкой. Географическая оболочка формируется под воздействием солнечной энергии и органической жизни.
Часть географической оболочки, отвечающая земной коре и выступающая как минеральная основа биосферы, выделяется под названием "геологическая среда". Согласно Г.М. Сергееву (1979), под геологической средой понимается верхняя часть литосферы, находящаяся под воздействием инженерно-хозяйственной деятельности человека и, в свою очередь, в известной степени определяющая эту деятельность.
Верхней границей геологической среды является поверхность рельефа; нижняя граница неодинакова по глубине в разных областях Земли. Она определяется глубиной проникновения человека в толщу Земли в ходе различных видов деятельности. В настоящее время сверхглубокое бурение достигло глубины 12261 м. В среднем положение нижней границы определяется глубиной 5-6 км (глубиной бурения многочисленных нефтеразведочных и нефтедобывающих буровых скважин).
В геологическую среду включают, таким образом, почвы и верхние горизонты горных пород. Границы геологической среды изменяются не только в пространстве, но и во времени по мере развития научно-технического прогресса.
Основными элементами (компонентами) геологической среды являются:
1) любые горные породы, почвы и искусственные (техногенные) грунты, слагающие объемные геологические тела и являющиеся многокомпонентными динамическими системами;
2) рельеф (геоморфологические особенности);
3) подземная гидросфера;
4) эндогенные и экзогенные геологические процессы, воздействующие на геологическую среду на данной территории (рис. 2.3).
Рис.2.3 Соотношение понятий геоэкологического содержания
Особенности геологической среды как части географической оболочки заключаются в проникновении в нее вещества объектов техносферы. Геологическую среду характеризуют не только материальные объекты компоненты геологической среды, но и энергетические объекты, в том числе геофизические поля, в значительной мере формирующие геопатогенные зоны, природа которых пока не совсем ясна.
Введение в науку понятия "геологическая среда" имеет принципиальное значение. Геологическая среда в своем развитии подчиняется законам природы и общества, что дает основание рассматривать ее как естественно-социальное явление.
Термин "экология" был введен в практику немецким естествоиспытателем Эрнстом Геккелем. В работе "Всеобщая морфология организмов", изданной в 1866 г., и в последующих лекциях "Естественная история миротворения", прочитанных в Иенском университете в 1869 г., он дал определение экологии как науки об отношениях организма и окружающей среды. Самобытный ученый-медик, зоолог, ботаник, сторонник и пропагандист эволюционного учения Ч. Дарвина, Э. Геккель не только ввел в оборот новый необычный термин, но и создал научное направление, изучающее влияние окружающей среды на живые организмы.
До начала 70-х гг. нашего века экологию рассматривали как составную часть биологии, объектом которой являются уровни организации жизни от видов до биоценозов и экосистем. Более низкие уровни организации жизни изучаются молекулярной генетикой, цитологией, гистологией, физиологией. Такое понимание экологии (в "узком" значении термина) сохранилось и до настоящего времени, хотя чаще стали применять "биоэкология". В зависимости от размеров изучаемых объектов биоэкология разделилась на аутоэкологию (организм и его среда), популяционную экологию, или демэкологию (популяция и ее среда), и синэкологию (биотическое сообщество и его среда, биогеоценоз, экосистема).
Экологией, как частью биологической науки, был сделан фундаментальный вывод о наличии противоречия между природой и человеком. Первая стремится к увеличению и поддержанию на определенном уровне таксономического разнообразия видов, а деятельность человека приводит к нарушению многообразия природы. Стало очевидным, что это противоречие не может быть разрешено в рамках классической экологии как исключительно биологической науки. Развернувшееся в конце 60-х гг. движение за сохранение окружающей среды привело к тому, что термин "экология" был введен в общий лексикон для обозначения взаимоотношений человека с окружающей средой. В настоящее время экология (в "широком" значении этого термина) рассматривается как комплексная наука или система наук, изучающая не только общие законы функционирования экосистем высокого иерархического уровня, но и положение человека в экосистемах и меры воздействия человека на экосистемы (рис. 2.4).
Рис. 2.4. Отдельные дисциплины «экологии» и их соотношения
Поскольку составной частью окружающей среды является среда природная (геосферы, географическая оболочка, геологическая среда), естественным было выделение из "большой" экологии (всеобщей, глобальной, мега экологии) особого направления, рассматривающего экологические функции различных компонентов природной среды. За этим направлением укоренилось название "геоэкологии".
Впервые термин "геоэкология" был введен в научный обиход немецким экологом К. Троллем в 1939 г. К. Тролль под геоэкологией понимал раздел экологии, посвященный ландшафтам Земли. Объектом геоэкологии, по К. Троллю, являются живые сообщества, свойственные определенным природным системам (озера, леса, тундры и т.д.). Впоследствии термин "геоэкология" стал термином свободного пользования, широко используемым в географических, геологических, социальных и других науках при решении проблем природоохранной деятельности. Понимание его содержания существенно отличается у исследователей даже одного научного направления (рис.2.5).
1. В соответствии с одними взглядами геоэкология является междисциплинарным направлением - метанаукой, суммирующей все знания об экологических проблемах Земли и представляющей собой «триумвират» из биологических, геологических и почвенно-географических наук. Объектом исследований такой метанауки являются все высокоорганизованные системы, в том числе и антропогенно измененные. В таком понимании геоэкология поглощает классическую экологию (или биоэкологию) и становится синонимом "биологии окружающей среды" известного американского эколога Ю. Одума,
2. Сторонники других представлений рассматривают геоэкологию как междисциплинарное направление наук о Земле, объединяющее все знания об экологических проблемах геосфер. Объектом и предметом исследований геоэкологии в таком понимании являются географическая оболочка и геологическая среда и их экологические функции. Термин "геоэкология" в данном случае заменяется термином "экология геосфер". В соответствии с таким пониманием геоэкология, или экология геосфер, может быть подразделена на экологию атмосферы (метеоэкологию), экологию гидросферы или гидроэкологию экологию вод суши и экологию Мирового океана); экологию почв (педоэкологию); экологию литосферы (геологической среды) [8].
За последней в настоящее время все более и более упрочняется название "экологическая геология".
Именно в таком понимании используется термин "геоэкология" в предлагаемом вашему вниманию учебном пособии.
Рис. 2.5. Соотношение объемов понятия геоэкологии и терминов
геоэкологического содержания (по разным авторам)
3. Наконец, сторонники третьего направления в качестве "геоэкологии" понимают науку, изучающую законы взаимодействия литосферы и биосферы. Объект ее исследований - традиционный для геологии (литосфера, а точнее, геологическая среда), а предмет новый - экологические свойства и экологические функции геологической среды. Вероятно, для третьего понимания термина "геоэкология" целесообразно использование термина "экогеология". Экогеология, в свою очередь, может подразделяться на динамическую экогеологию, экогидрогеологию, экогеокриологию, инженерную экогеологию, экогеофизику, экогеохимию и др.
Если рассматривать геоэкологию как систему наук (или междисциплинарное направление) об экологических проблемах геосфер Земли, то в этом случае объектом изучения геоэкологии является географическая оболочка и геологическая среда, включающие в себя атмосферу, поверхностные воды, почвы и приповерхностную часть литосферы. Последняя, в свою очередь, состоит из горных пород, подземных вод и разнообразных газов.
Предмет исследований связан с экологическими функциями отдельных геосфер. В настоящее время еще не оформилось четкое, а главное, согласованное между разными исследователями представление о содержании понятия "экологические функции геосфер Земли". Вслед за почвоведами Г.В. Добровольским и Е.Д. Никитиным (1980) под экологическими функциями следует понимать роль отдельных геосфер в жизни, сохранении и эволюции экосистем в целом. Так, применительно к почвам, к экологическим функциям педосферы относятся:
сохранение жизненного пространства;
источник элементов питания;
аккумуляция веществ, поступающих из соседних сред;
санитарная функция в качестве буферного защитного экрана.
Суммарной функцией педосферы является почвенное плодородие, а прикладной функцией - комплекс мер по рациональному использованию ресурсов.
Экологические функции геологической среды (приповерхностной части литосферы) в планетарном виде определяются ролью геологической среды в жизнеобеспечении и эволюции, главным образом, человеческого общества. Приоритет человеческой популяции в глобальной экосистеме обусловлен ее активным воздействием на среду обитания, причем на глубины, значительно превышающие остальную биоту. В подобном качестве литосфера не изучалась в рамках традиционной биоэкологии, экологии ландшафтов и экологического почвоведения. Именно в акценте на среду обитания человека проявляется специфика экогеологии по сравнению с другими частями и разделами геоэкологии.
Планетарная экологическая функция геологической среды, по В.Т. Трофимову и др. [14], подразделяется на три основные подгруппы:
ресурсную, определяющую возможность жизнедеятельности человеческого общества;
геодинамическую, связанную с проявлениями и динамикой природных и антропогенных геологических процессов, влияющую на условия жизнеобитания человеческого общества;
геохимическую и геофизическую (медико-санитарную), определяющую воздействие на состояние здоровья человека природных и техногенных геохимических аномалий и геофизических полей.
Перечисленные функции геологической среды определяют и практические задачи, решаемые геоэкологией и опирающиеся не только на геоэкологию, но и на весь комплекс наук о Земле. К основным задачам в рамках ресурсных функций относятся:
оценка структуры и строения отдельных оболочек;
оценка минеральных ресурсов и экологических последствий их освоения и эксплуатации;
повышение эффективности использования природных ресурсов,
оценка состояния и степени сохранения ресурсов поверхностных и подземных вод питьевого и технического назначения;
обоснование управления состоянием и свойствами техногенных и естественных горных пород;
разработка рецептур и технологий для утилизации твердых и жидких продуктов техногенеза, промышленных и бытовых отходов.
В рамках геодинамических функций геосфер основные задачи геоэкологии сводятся к следующему:
изучение изменений геологической среды в результате активизации природных эндо- и экзогенных, а также антропогенных геологических процессов;
оценка устойчивости территории к природным и техногенным воздействиям;
обоснование инженерной защиты территорий от антропогенных и активизированных природных геологических процессов, обусловливающих негативные экологические последствия;
обоснование инженерной защиты территорий от опасных катастрофических геологических процессов.
Геохимические и геофизические функции географической оболочки и геологической среды определяют следующие практические задачи:
исследование природных геохимических и геофизических аномалий и их воздействия на здоровье человека;
изучение химических преобразований горных пород под влиянием техногенеза;
определение характера и интенсивности геохимического воздействия на литосферу различными видами инженерно-технической деятельности и закономерностей техногенной миграции химических элементов;
оценка изменения химического состава (качества) поверхностных и подземных вод;
оценка защищенности вод от техногенного загрязнения;
обоснование захоронений (изоляции в литосфере) токсических и радиоактивных отходов;
обоснование обезвреживания и изъятия из природных кругооборотов токсичных и радиоактивных элементов и соединений путем осаждения, накопления и нейтрализации на геохимических барьерах.
Естественно, что при решении всех этих задач геоэкология и ее составная часть - экологическая геология - тесно смыкаются с социальной экологией, объединяющей социально-экономические, медико-биологические, психологические и другие вопросы, связанные с изучением ноосферы. Социальная экология изучает взаимоотношения человека и природы под углом зрения воздействия общества на среду. Она должна ответить на вопрос, почему развитие общества привело к экологическому кризису.
Задачей социальной экологии является принятие управленческих решений, для которых геоэкология дает необходимые обоснования в объеме абиотической и техногенной сфер.
Рассмотренные выше экологические функции геосфер и вытекающие из них геоэкологические задачи непрерывно видоизменяются под действием социально-экономических факторов. Одним из главных факторов является рост численности населения, его пространственное распределение, возрастная структура, миграция и демографическая политика.
Темпы роста численности населения ведут к резкому повышению интенсивности использования природных и экономических ресурсов Земли. На значение этого фактора впервые обратил внимание Томас Роберт Мальтус (1766-1834) - английский экономист, ученый-богослов, священник, который в работе "Опыт о законах народонаселения" в 1798 г. сформулировал два основных положения:
а) рост средств существования существенно отстает от роста народонаселения;
б) в силу биологических особенностей людей население размножается в геометрической прогрессии, в то время как средства существования увеличиваются лишь в арифметической.
Эти "законы" Т. Р. Мальтуса опирались, в свою очередь, на "закон убывающего плодородия почв" французского экономиста А.Р.Ж. Тюрго, в соответствии с которым каждое дополнительное вложение труда в землю дает меньший по сравнению с предыдущим вложением эффект, а после определенного предела какой-либо дополнительный эффект становится невозможным.
Годы, прошедшие со времени опубликования труда Мальтуса, в целом подтвердили правильность основных положений его теории. На 1994 г. на земном шаре проживало 5 млрд. 500 млн человек. При сохраняющихся темпах роста (150 человек в минуту) предполагалось, что к 2000 г. на Земле будет проживать 6 млрд человек. Рост численности населения иллюстрирует табл. 2.2, Согласно прогнозам Всемирного банка, численность населения к 2050 г. должна достигнуть 8,3 млрд. человек. Сегодня численность людей уже превышает 6 млрд.
Быстрый рост населения является результатом диспропорции между рождаемостью и смертностью, т.е. результатом сохранения темпов рождаемости и снижения темпов смертности вследствие улучшения условий жизни и особенно вследствие развития медицины.
Таблица 2.2
Рост численности населения Земли (по Ф.Бааде)
Отсюда вытекает необходимость регулирования численности населения, что уже давно поняли правительства ряда стран, принявшие соответствующие законы.
Примером связи данного фактора с экологическими проблемами является демографическая политика, традиции и менталитет народов Узбекистана, ориентированные на рост численности населения, и экологическая катастрофа Аральского моря, частично обусловленная необходимостью экстенсивного возделывания орошаемых земель в бассейнах рек Амударья и Сырдарья.
Общеизвестны также значительные различия в темпах естественного прироста населения между развитыми и слаборазвитыми в экономическом отношении странами. Так, если в Европе среднегодовые темпы естественного прироста населения составляют 0,8 %, то в странах Латинской Америки - 2,3 %, в Африке - 3 % (с тенденцией увеличения темпов прироста), а в Азии - 2,3 % (с тенденцией увеличения темпов прироста). На этих трех континентах, где в основном расположены развивающиеся страны, проживает 74 % населения всего мира, а в конце XX в. в них, согласно некоторым прогнозам, будет проживать даже 81 % населения. В этих странах население становится все более многочисленным, а в структуре населения высокий удельный вес занимают лица моложе 15 лет, что свидетельствует о сохранении роста рождаемости населения,
Проблемы численности и плотности населения, а также адаптации человека в условиях большой плотности имеют еще и другую социально-экономическую сторону. Существуют так называемые физические границы, в которых только конкретное количество людей может проживать на Земле. Как известно, человек в процессе своей жизни перерабатывает энергию, что приводит к освобождению определенной части теплоты вследствие процессов его жизнедеятельности. В результате из-за увеличения численности людей может быть достигнута, например, «тепловая граница» (так, масса населения в один миллион человек может произвести тепло, которое отвечает точке плавления железа). Гигантский рост населения поставил бы под угрозу эту «тепловую границу». Если отмоченные демографические тенденции сохранятся, то после 2060 г. все люди будут соприкасаться друг с другом и им придется питаться стоя [28].
Однако маловероятно, что для такого количества людей можно произвести необходимое количество продуктов питания. Человечество уже в настоящее время сталкивается с проблемами их нехватки. Ежегодно в мире от голода умирает около 20 млн. человек, в том числе, - 40 тыс. детей.
Еще одним социально-экономическим фактором является рост темпов потребления природных ресурсов.
К природным ресурсам относятся средства существования, не созданные трудом человека и существующие независимо от него, но используемые им. К ним относятся минеральное сырье, лес, вода.
Около 88 % потребляемых пищевых продуктов человек получает с возделываемых земель, 10 % - с естественных пастбищ и лесных массивов и только 2 % - из Мирового океана. В настоящее время на планете освоено 56 % поверхности суши. За всю историю цивилизации было вырублено 2/3 лесов, уничтожено более 200 видов животных и растений, на 10 млрд. т уменьшились запасы кислорода, деградировано около 200 млн га земель в результате неправильного, нерационального ведения хозяйства. Другими словами, резервы, по существу, исчерпаны.
Энергетические ресурсы планеты расходуются в нарастающих масштабах. Из всего топлива, сожженного за всю историю человечества, половина была востребована за последние 25 лет. Общая нехватка природных энергетических ресурсов порождает переход ряда стран на использование атомной энергии и, соответственно, вырастание числа атомных электростанций, что влечет за собой широко известные экологические проблемы, связанные с захоронением радиоактивных отходов (табл. 2.3).
Извлечение из верхней части литосферы ежегодно 100 млрд. тонн минерального сырья приводит к перемещению и уничтожению плодородного почвенного слоя и резкому сокращению площади лесов,
Наряду с проблемами питания, которые возникают вследствие чрезмерного роста населения, повышение численности населения и его плотности приводит к возникновению других проблем.
Таблица 2.3
Доля разных источников энергии (в %) в общем балансе
современной энергетики
Следствием демографического роста являются снижение уровня городской цивилизации, деградация человеческих отношений и формирование толпы вместо граждан [28]. Плотность населения действительно негативно влияет на терпимость в отношениях между людьми. Наступают различные отклонения в поведении отдельных людей как следствие перенаселенности, которые ведут к асоциальности поведения.
Важнейшим социально-экономическим фактором является научно-техническая революция, играющая определенную роль в формировании глобального экологического кризиса.
Научно-техническая революция, приводящая к появлению все новых и новых технологий, естественно влечет за собой возникновение разнообразных экологических проблем.
Так, например, если в XVIII в. человечеством использовалось лишь 18 химических элементов и их соединений, то в ХIХ в. - 35, в начале XX в. - 64, в 1975 г. -87, в настоящее время - все 104 элемента таблицы Д.И. Менделеева. Обозначилась реальная угроза истощения месторождений полезных ископаемых. По некоторым прогнозам, запасы многих видов минерального сырья иссякнут к 2050 г. Неизбежно встает проблема поисков заменителей, что порождает замкнутый круг производственных и экологических проблем.
НТР и научно-технический прогресс определяют и появление реальной угрозы истощения воды и воздуха. Для хозяйственной деятельности человек использует около 12 % пресных вод, не считая вод, загрязненных твердыми примесями, источник которых - предприятия и транспорт. Ежегодно в водоемы сбрасывается около 600 млрд. т промышленных стоков, требующих 12-15-кратного разбавления и нейтрализации. Несмотря на то, что 80 % пресной воды сосредоточено в ледниках и присутствует в виде снега, последние также все более и более загрязняются промышленными выбросами в атмосферу.
Промышленные технологические процессы и ТЭЦ потребляют около 23 % кислорода, вырабатываемого растениями. По некоторым оценкам, к 2000 г, на это будет уходить 95 % кислорода, генерируемого флорой планеты.
Загрязнение географической оболочки и геологической среды промышленными выбросами приводит к тому, что неизбежно происходит обогащение живых организмов токсичными элементами, не участвующими в обмене веществ в ходе их жизненного цикла (табл. 2.4). Концентрации токсикантов в растениях, водорослях и других организмах на несколько порядков превышают их содержание в почвах, природных водах и воздухе. Естественен переход этих элементов в пищевые цепи человека, что негативно сказывается на продолжительности его жизни.
Мощное антропогенное воздействие приводит также к нарушению теплового баланса Земли, к тепловому заражению атмосферы. Выделение техногенного тепла и повышение содержания углекислого газа в атмосфере создает парниковый эффект, проявляющийся в повышении температуры у дневной поверхности.
Таблица 2.4
Содержание тяжелых металлов в морской воде и морских организмах
Происходит непрерывное нарушение экологического равновесия, как "загрязнением нищетой" - за счет использования технологически устаревших, несовершенных производств, так и "загрязнением изобилием" - когда даже при современных экологически чистых технологиях нагрузка на окружающую среду прогрессивно растет за счет истощения природных ресурсов.
Помимо темпов роста народонаселения, прогрессивного потребления природных ресурсов и научно-технической революции, фактором, определяющим глобальные экологические изменения, являются также внешние долги государств мира.
Типичный пример - ситуация, сложившаяся с Россией в конце XX в. Долги отдельным странам и мировому сообществу в лице международного валютного фонда, полученные в форме разнообразных кредитов, вынуждают Россию наращивать добычу и продажу минерального сырья, заготовку деловой древесины, принимать на хранение и переработку радиоактивные и другие вредоносные высокотоксичные производственные отходы. Тем самым создается комплекс экологических проблем, оказывающих непосредственное влияние на глобальные экологические изменения и формирующие глобальный экологический кризис.
Вместе с тем, исторически сложились и до сих пор продолжают противостоять друг другу прямо противоположные представления о взаимоотношениях человека и общества с окружающей средой. К ним относятся так называемые концепции технократического оптимизма и экологического алармизма [5].
Концепция технократического оптимизма. В основе концепции технократического оптимизма лежит положение о неисчерпаемости природных ресурсов и полном господстве человека над природой. Несмотря на очевидность негативных последствий научно-технического прогресса, приведшего за время жизни одного - двух поколений людей к антропогенной деградации экосистем, часть научной общественности разных стран обосновывала необходимость и неизбежность прогрессирующего использования природы во имя процветания человека.
Частичное осуществление плана преобразования природы привело к локальным, региональным и даже межрегиональным экологическим кризисам. Примерами могут служить осуществленные проекты "регулирования рек" путем строительства каскадов гидросооружений.
Даже один из зачинателей природоохранного движения в нашей стране А.Д. Арманд (1974), исповедуя идеи "конструктивного преобразования природы", считал возможным глобальное изменение природных ландшафтов. На Земле, по его мнению, не должно быть неиспользованных территорий. Большая их часть (90 %) должна быть охвачена производственной деятельностью человека. Примерно 9% необходимо отвести под рекреации, создав в них обстановку, приближающуюся к естественной. Наконец, 1 % надо оставить под заповедники. При составлении проектов не следует бояться коренного преобразования природы.
Технократические взгляды на взаимодействие природы, общества и человека были свойственны и западным, в основном американским, исследователям. Так, по мнению Д. Эллула (1974), техника подчиняется своим собственным законам и все больше овладевает элементами цивилизации, превращая человека в ее объект.
В России фактическое следование концепции технократического оптимизма породило появление на свет и частичную реализацию таких антиэкологических проектов, как поворот северных рек на юг, расточительная эксплуатация нефтяных и железорудных месторождений Западной Сибири и Курской магнитной аномалии, строительство целлюлозно-бумажного комбината на Ангаре и др.
Концепция экологического алармизма. Связанный с научно-технической революцией экологический кризис породил в западной науке течение, представители которого акцентировали внимание на катастрофических последствиях воздействия человека на природу и необходимости принятия немедленных решений для оптимизации системы природа - общество. Это течение получило название алармизма (от англ. alarm - тревога, страх).
На волне алармизма в 1968 г. группа ученых, промышленников и политических деятелей из 25 стран (всего 30 человек) по инициативе управляющего фирмы "Фиат" экономиста Аурелио Печчеи образовала так называемый Римский клуб. Предельная численность Римского клуба была определена в 100 человек. Клуб взял на себя задачу исследовать глобальные кризисные процессы и наметить пути выхода из них независимо от интересов отдельных государств. По заданию клуба отдельная группа, состоящая из специалистов по кибернетике, естественным и инженерным наукам Массачусетского технологического института, под руководством Денниса и Донеллы Медоуз с 1971 по 1981 гг. подготовила серию "докладов Римского клуба" по самым острым проблемам. Наиболее известными из них являются два доклада: работа супругов Медоуз "Пределы роста" и доклад кибернетиков Мессаровича (США) и Пестеля (ФРГ) "Человечество на перепутье". Работы финансировались транснациональной корпорацией «Фольксваген».
Основные положения большинства разработок сводились к следующему:
1. Технологический прогресс жизненно важен, но требует при этом социально-экономических и политических изменений.
2. Народонаселение и ресурсы не могут расти беспредельно на конечной планете.
3. Отсутствует надежная и полная информация о жизненно необходимых ресурсах Земли, способных удовлетворить потребности растущего населения. Снижение роста их потребления уменьшит вероятность экологических бедствий и катастроф.
4. Народы, страны и окружающая среда находятся в более тесной зависимости друг от друга, чем это обычно представляется. Поэтому действия, направленные на достижение узко ограниченных целей, чаще всего непродуктивны.
5. Природа будущего не предопределена; многое зависит от того, как скоро изменятся существующие нежелательные тенденции.
6. Действия по предотвращению опасных последствий окажутся более эффективными и менее дорогостоящими, чем те же действия, предпринятые с опозданием. Это требует сильного руководства и более широкой макрообразованности, поскольку к тому времени, когда проблема станет очевидной каждому, предпринимать какие бы то ни было действия, будет уже слишком поздно.
Главные выводы исследований допускают один из трех возможных сценариев развития:
а) в случае истощения природных ресурсов неизбежно замедление промышленного и сельскохозяйственного производств с последующим падением численности населения Земли и экологической катастрофой;
б) организация достаточно эффективной защиты природной среды обеспечит еще более форсированный рост народонаселения, вытекающую отсюда нехватку пахотных земель и экологический кризис;
в) при практически не ограниченных природных ресурсах с неизбежностью прогнозируется гибель цивилизации от загрязнения,
Приведенные сценарии не относятся к числу оптимистических. Первые три доклада Римского клуба (третья работа - доклад-проект - была подготовлена коллективом авторов под руководством Яна Тинбергена под названием РИО и называлась «Преобразование международного порядка», 1976 г.) указали на опасность экологической катастрофы, что вызвало у людей чувство безысходности и усиления пессимистических настроений. Поэтому назрела необходимость предложить людям оптимистический взгляд на будущее человечества. В связи с этим Римский клуб предложил подготовить новый (четвертый) доклад коллективу авторов по главе с Эрвином Ласло. Авторы стремились сформулировать основные цели для будущего различных географических регионов, государств, идеологий, политических партий и религий в мире, найти общие интересы для всех народов. Общими интересами наций, которые часто вступали в политические и военные конфликты между собой, были признаны глобальные цели безопасности, обеспечение продуктами питания, сохранение энергии и природных ресурсов. Пятым докладом Римского клуба считается научный труд «После эры расточительства», который был опубликован в 1978 г. Авторами данного труда были Д. Габор, У. Коломбо, А Кинг, Р. Галди. Эти исследователи отмечали роль и широкие возможности науки и техники при решении проблем нехватки продуктов питания, энергии, сырья и материалов. По их мнению, может быть найдена альтернативная замена любому продукту. Однако они считают, что нет экономически обоснованного способа производства достаточного количества энергии. Указывалось также на необходимость оказания помощи развивающимся странам в передаче им технологий и капитала.
Доклады Римского клуба имели как сторонников, так и противников не только в научной среде, но и в кругах широкой общественности. Однако наряду с критикой первого доклада английские ученые выразили признательность его авторам за напоминание широкой общественности о той опасности, которая нависла над окружающей средой, и о ее последствиях. Благодаря усилиям Римского клуба быстро возросла международная осведомленность о мировой проблематике, в первую очередь, в области выживания человечества, состояния экосистем, причин и последствий антропогенной деятельности и ее влияния на природу.
Работы Римского клуба, как и сама концепция экологического алармизма, не потеряли своей актуальности и до настоящего времени. Недоучет и невнимание к ее основным положениям приводят к таким экологическим катастрофам, как авария Чернобыльской АЭС, произошедшая в то время, когда доклады Римского клуба были уже широко известны.
Время стихийного развития человечества заканчивается, наступает эпоха управляемого развития.
Экологический кризис заставляет человечество отказаться от господствующей в настоящее время экономической парадигмы. Как считает известный эколог и политолог Э. Фон Вайцзекер, современная экономическая парадигма должна уступить место экологической парадигме. Американский физик-теоретик Ф. Дайсон предвидит возникновение «зеленой» технологии, которая будет строиться на тex же принципах самоорганизации, что и живая природа. Эффективным методом исследования самоорганизации земных оболочек становится синергетика (от греч. synergia - содружество, коллективное поведение) - наука, изучающая системы, состоящие из многих подсистем самой различной природы; наука о самоорганизации простых систем и превращении хаоса в порядок.
Современная земная атмосфера - многокомпонентная оболочка Земли массой менее 10-6 от массы Земли и радиусом порядка 10-3 радиуса Земли. Непосредственное влияние на человека в основном оказывает тонкий слой приземной атмосферы, высота которого составляет несколько сот метров. Именно этот атмосферный слой подвергается наибольшим воздействиям в результате деятельности человека, определяя условия жизнедеятельности биоты, а также климатических изменений.
Эффективность контроля и прогноза климатоэкологических изменений достигается только при реализации достаточно полного мониторинга с учетом всех климатообразующих и экологических факторов, влияющих на земную атмосферу. Исследования состояния и изменений атмосферы являются ключевыми для решения не только текущих социально-экономических задач, но и проблем устойчивого развития цивилизации в целом.
Общие сведения о строении атмосферы. Первая группа компонент атмосферы - механическая смесь газов в атомарном, молекулярном или кластерном (комплекс из нескольких атомов или молекул) состояниях. Чаще всего именно главные компоненты атмосферы имеют в виду, когда употребляют термин "атмосферный воздух". Газы земной атмосферы находятся как в нейтральном, так и в ионизованном состоянии. Атмосфера является азотно-кислородной средой, так как объемное содержание нейтральных молекул азота N2 (78%) и кислорода О2 (21%) в нижних слоях атмосферы является подавляющим. Тем не менее функциональная роль многих других атмосферных газов (водяного пара, углекислого газа СО2, озона О3) остается столь значительной, что их также относят к числу основных газов. Другие атмосферные газы естественного и индустриального происхождения принято называть малыми газовыми примесями.
Второй важнейшей группой компонент атмосферы являются атмосферные аэрозоли - взвешенные в воздухе частицы твердого тела или капли жидкости природного и антропогенного происхождения. Аэрозоль с жидкими (туман, облако) и твердыми частицами (пыль, дым, смог) постоянно присутствует в атмосфере, но варьируется в широких пределах по размерам (от кластеров до дождевых капель) и по концентрации.
Третью важную группу компонент атмосферы составляют физические поля, определяющие многие свойства и структуру земной атмосферы. По влиянию на атмосферные процессы, а через них и на условия жизни и хозяйственную деятельность человека на планете можно выделить:
электромагнитное поле, включающее в свой состав оптическое излучение (ультрафиолетовое, видимое и инфракрасное);
гравитационное поле, определяемое преимущественно полем тяготения Земли;
электростатическое поле (атмосферное электричество), характеристики которого в земной атмосфере варьируют в широком диапазоне и являются важными параметрами для многих атмосферных процессов и явлений;
магнитное поле Земли (геомагнетизм):
космические лучи как особый сверхкороткий диапазон электромагнитных волн - поток заряженных частиц высокой энергии (в основном протонов).
Все компоненты земной атмосферы имеют неоднородное распределение вдоль земной поверхности и по высоте. Изменяются также и основные физические параметры этих компонент, неоднородность которых по высоте выражена более четко, чем по горизонтали.
Из многих признаков, на основе которых атмосферу делят на слои (сферы), наиболее употребительным является изменение ее температуры по высоте. Общеприняты пять слоев атмосферы: тропосфера, стратосфера, мезосфера, термосфера и экзосфера. Определяющим слоем, в котором происходят основные процессы, влияющие на климатоэкологическую обстановку, является тропосфера, которая характеризуется падением температуры с высотой в среднем 6,5 оС на 1 км при возможных отклонениях до 3 оС на 1 км в ту или другую сторону. Именно в тропосфере образуются туманы и все наиболее важные виды облаков, формируются осадки, грозовая деятельность. В полярных и умеренных широтах высота тропосферы достигает 8...12 км, а в тропиках 16,...18 км.
Основные газовые составляющие. На долю азота, кислорода и аргона в сухом воздухе приходится 99,96 %. Состав сухого воздуха (без учета водяного пара) для некоторых газов с устойчивой концентрацией приведен в табл. 3.1. Под объемным содержанием газа понимается отношение молекулярной массы этого газа к молекулярной массе сухого воздуха, равной по углеродной шкале 28,9645 кг/моль. Полное содержание газа в вертикальном столбе представляет собой количество этого газа, собранного в виде слоя, при стандартных условиях (при температуре 0 0С и при давлении 1 атм = 1013,2 ГПа).
К малым газовым составляющим атмосферы относятся указанные в табл. 3.1., начиная с углекислого газа и ниже, водяной пар, озон, многие газы индустриального происхождения, вызывающие загрязнение атмосферы и называемые антропогенными газовыми примесями и др.
Водяной пар - переменная газовая составляющая атмосферы, определяющая состояние влажного воздуха. Главными источниками и стоками водяного пара являются процессы его испарения с поверхности океанов, морей, водоемов, влажной почвы и растений, а также процессы конденсации при образовании туманов, облаков, осадков, росы, инея и т.д.
Таблица 3.1
Состав сухого воздуха вблизи поверхности Земли
|
Газ |
Молекулярная масса, а.е.м. |
Объемное содержание, % |
Полное содержание в вертикальном столбе, атмсм |
|
Азот N2 |
28,013 |
78,084 |
6.24105 |
|
Кислород О2 |
32,000 |
20.946 |
1,68105 |
|
Аргон Аr |
39,948 |
0.934 |
7,47103 |
|
Углекислый газ СО2 |
44,010 |
0,033 |
2,51102 |
|
Неон Ne |
20,183 |
0,18210-2 |
1,45101 |
|
Гелий Не |
4,003 |
0.05210-2 |
1,2 |
|
Криптон Кг |
83,800 |
0,01110-2 |
0,9 |
|
Водород Н2 |
2,016 |
0.00510-2 |
0,4 |
|
Ксенон Хе |
131,300 |
0,08710-2 |
0,7 |
Водяной пар относится к числу сильно поглощающих оптическое излучение газов, которые существенно влияют на радиационный режим в атмосфере и часто называются парниковыми газами. Наиболее интенсивная и широкая полоса поглощения имеет центр около длины волны 6,25 мкм.
Озон относится к довольно изменчивым газовым составляющим атмосферы. Образование в атмосфере молекул озона О3 происходит как под влиянием поглощения ультрафиолетового излучения молекулами кислорода, так и при электрических разрядах.
При взаимодействии с окружающей средой озон как мощный окислитель оказывает медико-биологическое воздействие. ПДК для озона по стандартам России составляет по среднесуточной концентрации 0,03 мг/м3 и по максимально разовой 0,16 мг/м3 с первым классом опасности. Вклад приземного озона в его общее содержание в атмосфере невелик, но локальные концентрации могут достигать опасных для живой природы значений и в несколько раз превышать уровень ПДК.
Углекислый газ также относится к малым газовым составляющим и распределен в атмосфере более однородно чем водяной пар и озон. Среднее содержание СО2 в современной атмосфере оценивается в 2,31018г или 0,033 % (330 млн-1) объема атмосферного воздуха с устойчивой тенденцией к увеличению.
Углекислый газ является сильно поглощающей оптическое излучение газовой составляющей атмосферы, играющей главную роль в парниковом эффекте. Определяющими являются две полосы поглощения: с центром около 15 мкм с диапазоном сильного поглощения 12...20 мкм и с центром около 4,3 мкм. Обе полосы своей центральной областью полностью поглощают солнечное излучение и тепловое излучение земной поверхности в вертикальном столбе атмосферы.
Другие малые газовые составляющие природного происхождения во многих случаях также оказывают значительное влияние на состояние и процессы в земной атмосфере. К наиболее значимым относятся: метан СН4, оксид углерода СО, закись азота N2O, диоксид серы SO2.
Другие составляющие преимущественно антропогенного происхождения принято называть антропогенными примесями. Объемы их поступления в атмосферу возрастают и оказывают неблагоприятное действие на окружающую среду.
Учет источников загрязнения атмосферного воздуха и инвентаризация выбросов в настоящее время осуществляются во многих странах мира, в том числи и в России. В табл. 3.2 приведена характеристика некоторых токсичных газовых примесей, а также токсичных паров тяжелых металлов в земной атмосфере.
Таблица 3.2. Характеристика некоторых антропогенных
примесей в земной атмосфере
|
Вещество |
Глобальные выбросы, тыс.т/год |
ПДК, мг/м3 |
Класс опасности |
|
|
природные |
антропогенные |
|||
|
Газовые примеси: |
||||
|
диоксид серы SO2 |
3105 |
2105 |
0,8 |
1 |
|
сероводород H2S |
4104 |
3103 |
0,008 |
2 |
|
закись азота N2О |
3105 |
6104 |
||
|
оксид азота NO |
0.06 |
3 |
||
|
оксид углерода СО |
2105 |
7104 |
3 |
4 |
|
аммиак nh3 |
2105 |
4103 |
0,04 |
4 |
|
Токсичные металлы: |
||||
|
ртуть нg |
1...20 |
2 |
0,0003 |
1 |
|
свинец Рв |
5...50 |
420 |
0,0003 |
1 |
|
кадмий Сd |
1...9 |
7 |
0,001 |
2 |
|
мышьяк As |
1...10 |
23 |
0,003 |
4 |
Атмосферные аэрозоли. Все взвешенные в воздухе частицы твердого тела (пыль, дым, ледяные кристаллы, снежинки и др.) или жидкости (туман, облака, дождевые капли и др.) имеют широкий спектр частиц по размерам и природе образования, а также по процессам их эволюции и переноса. В специальной литературе принято отдельно рассматривать мельчайшие частицы в атмосфере, называемые ядрами конденсации, тропосферный, стратосферный и антропогенный аэрозоль, туманы и облака, а также осадки.
Ядра конденсации - частицы радиусом от 0,005 мкм до нескольких микрон. Наиболее крупные из них образуют так называемую атмосферную дымку и за счет рассеяния солнечного излучения ограничивают дальность видимости удаленных объектов. Ядра конденсации являются продуктом сложной совокупности физических и химических процессов в атмосфере и, в свою очередь, определяют широкое разнообразие и большую пространственно-временную изменчивость физических характеристик и химического состава всех составляющих атмосферного аэрозоля природного происхождения.
Тропосферный аэрозоль включает субмикронную (в том числе ядра конденсации) и грубодисперсную фракции (с радиусом частиц более 5 мкм). Генератором тропосферного аэрозоля является океаническая (морская) поверхность, над которой вследствие испарения капель морской воды образуются взвешенные в воздухе частицы, а также поверхность суши, над которой за счет почвенно-эрозийных процессов образуются почвенные аэрозоли с большим разнообразием химического состава и неоднородностью зонального распределения.
Стратосферный аэрозоль, находящийся в специфических физико-химических условиях, в значительной мере взаимодействует с тропосферным аэрозолем.
Фоновая концентрация стратосферного аэрозоля находится в диапазоне до 10-10 см-3 для частиц с радиусом более 1 мкм и до 102 см-3 для частиц с радиусом менее 0,1 мкм. Главным генератором являются вулканические извержения, забрасывающие ежегодно до 105 т тонкодисперсного пепла, а также серосодержащие газы, НС1, HF и др.
К числу других источников стратосферного аэрозоля относятся потоки метеорного вещества (до 104 т/год) и антропогенные выбросы, обнаруживаемые пока на пределе чувствительности. Тропосфера при этом является постоянно действующим источником и стоком стратосферного аэрозоля.
Антропогенный аэрозоль, попадая в атмосферу во все возрастающем количестве (до 3106 т/год), является заметным фактором, существенно влияющим на экологическую ситуацию, что особенно сказывается при выбросе токсичных соединений. К числу последних относятся соединения ряда тяжелых металлов, выступающих в роли эффективных катализаторов атмосферных реакций окисления, а также некоторые органические соединения.
Концентрация частиц антропогенного аэрозоля зависит от интенсивности его генерации и времени его существования, составляющего несколько часов для частиц с радиусом более 10 мкм и несколько суток для субмикронной фракции. При этом интенсивность генерации определяется не только процессами с прямыми выбросами аэрозолей, среди которых наибольшее значение имеют процессы сгорания, но и процессами аэрозолеобразования из газовых примесей.
В имеющихся обзорах по антропогенному аэрозолю к числу его основных составляющих обычно относят частицы с сернистыми и нитратными соединениями, органические, сажу и пепел со следующими характеристиками:
сернокислотные, сульфатные и нитратные частицы являются продуктами преобразований серосодержащих газов и оксидов азота в светлое и темное время суток, основная доля сульфатных частиц имеет радиусы менее 1 мкм, а нитратные частицы имеют размеры, превышающие 1 мкм (до 10 мкм);
органические аэрозоли образуются в промышленных районах при горении топлива и конденсации летучих веществ на частицах с радиусом более 1 мкм, количество антропогенного аэрозоля этого типа выбрасывается в атмосферу до 8010 т/год и примерно равно среднегодовому поступлению органических аэрозолей природного происхождения;
сажевые частицы образуются при неполном сгорании топлива и в промышленных районах достигают концентрации до 30 мкг/м3; при медленном горении образуются хлопьеобразные частицы, а при быстром горении - преимущественно частицы с радиусом менее 1 мкм с временем жизни не более нескольких суток;
частицы пепла по своим оптическим свойствам аналогичны частицам почвенного аэрозоля и имеют размеры более 1 мкм, их важное значение связано с каталитическими и фотокаталитическими свойствами, обусловленными присутствием в них тяжелых металлов.
Туманы и облака относятся к особому классу крупнодисперсного атмосферного аэрозоля и рассматриваются в метеорологии как самостоятельные атмосферные явления. Конденсационная природа частиц в туманах и облаках объединяет эти аэрозольные образования, хотя имеются и различия, связанные с физическими условиями их образования. Туманом называют совокупность взвешенных а воздухе капель воды или кристаллов льда вблизи поверхности Земли с концентрацией частиц, ухудшающей дальность видимости до значений менее 1 км (при дальности видимости более 1 км аэрозольные образования называют атмосферной дымкой).
Водность туманов изменяется в широких пределах от 0,001 до 2 г/м3 и почти пропорциональна их интенсивности, определяемой дальностью видимости. Микроструктурные характеристики туманов не выходят за рамки тех, которые встречаются в облаках. В частности, распределение жидкокапельных частиц по размерам удовлетворительно описывается функцией гамма-распределения с модальным радиусом 4,5 мкм для большинства типов облаков и туманов.
Общими микроструктурными характеристиками для туманов и облаков является также фазовый состав. В облаках капли присутствуют и при очень низких температурах (вплоть до -40 0С). При этом активность микрофизических процессов и процесс формирования осадков в сильной степени зависят от фазового строения облаков.
Осадки являются основным стоком атмосферных аэрозолей, прошедших через процессы трансформации от ядер конденсации до облаков, с одной стороны, и основным источником увлажнения суши - с другой. Поэтому непосредственный интерес для многих сторон хозяйственной деятельности человека представляют пространственное распределение годового количества осадков, их пространственно-временная структура и химический состав. Важной интегральной характеристикой в умеренных и высоких широтах является снежный покров, наибольший для России на среднем Енисее (до 110 см) и в предгорьях Урала (до 90 см).
Атмосферные движения в земной атмосфере. Они относятся к тем сложным явлениям, при описании которых применение законов механики (законов Ньютона) осложняется необходимостью учета существенной неоднородности атмосферы и движения самой Земли. Поэтому до настоящего времени влияние атмосферных движений на климатоэкологические изменения оказывается трудно учитываемым и прогнозируемым. Тем не менее разработаны определенные подходы для учета существенного влияния атмосферных движений на аэрозольно-газовый состав атмосферы и климатическую систему. При реализации таких подходов принято выделять такие виды атмосферных движении, как общая циркуляция атмосферы, фронты и циклоны, ветер, атмосферная турбулентность.
Общая циркуляция атмосферы характеризует совокупность воздушных течений большого масштаба (в масштабах материков и океанов) и является результатом существующих макронеоднородностей температуры и давления на планете. Эти постоянные неоднородности, вызванные, прежде всего, разницей солнечной радиации на высоких и низких широтах, обусловливают глобальную составляющую скорости ветра в земной атмосфере. В связи с постоянной разностью температур в атмосфере на низких (экваториальных) и высоких (полярных) широтах возникает барический градиент, направленный вдоль меридиана от экватора к полюсам.
За счет суточного вращения Земли и возникающей силы Кориолиса движение воздуха вдоль барического градиента изменяет направление вправо в северном полушарии и влево в южном. Таким образом, в северном полушарии возникает западный ветер. Атмосфера не только участвует в суточном вращении Земли, но и перемещается с запада на восток по отношению к земной поверхности, т.е. опережает суточное вращение. Скорость западного ветра, как показывает анализ, увеличивается с высотой во всех слоях атмосферы - в тропосфере, стратосфере и мезосфере.
Фронты и циклоны относятся к тем видам мезомасштабных атмосферных движений, которые существенно изменяют картину общей циркуляции атмосферы.
Атмосферными фронтами называются поверхности раздела воздушных масс с различными свойствами. Эти поверхности в реальной атмосфере являются условными и представляют собой некоторую переходную зону (до 100 км) с большими горизонтальными градиентами температуры, влажности и других метеопараметров. Взаимодействие теплых и холодных воздушных масс сопровождается вертикальными потоками, и поэтому вертикальная линия фронта (линия равных градиентов) наклонена по отношению к земной поверхности.
Циклоны и антициклоны представляют собой барические образования с замкнутыми концентрическими изобарами с минимальным (циклоны) или с максимальным (антициклоны) давлением в центре. Горизонтальные размеры циклонов и антициклонов составляют сотни и тысячи километров. Перемещение циклонов в направлении общего переноса воздушных масс в средней и верхней атмосфере (обычно с запада на восток) со средней скоростью 3040 км/ч сопровождается усилением ветра, увеличением облачности и выпадением осадков. Менее подвижные антициклоны с преимущественным направлением перемещения в сторону низких широт сопровождаются, в отличие от циклонов, сухой и малооблачной погодой, сохраняющейся несколько суток без существенных изменений.
Ветер определяется в метеорологии как горизонтальная составляющая движения воздуха и является локальной характеристикой атмосферных движений всех масштабов. По физической природе принято выделять геострофизический, термический, градиентный и местные ветры. Все эти виды ветров сопутствуют общей и циклональной циркуляции в атмосфере, внося дополнительные и порой трудно предсказуемые региональные особенности в их общую картину.
Геострофизическим ветром называется установившееся горизонтальное движение воздуха в прямолинейных и равноотстоящих изобарах при отсутствии сил трения. Неизбежность такого ветра в свободной атмосфере (над пограничным слоем) следует из уравнения движения атмосферы, если рассмотреть горизонтальное движение ограниченного объема воздуха под влиянием силы градиентного давления, когда изобары наклонены к горизонту. Под влиянием силы Кориолиса это движение будет изменять свое направление до тех пор, пока не наступит равновесие сил, и объем воздуха не начнет двигаться вдоль изобар. Уже из этих соображений следует, что скорость геострофизического ветра по направлению совпадает с изобарами и так, что низкое давление оказывается слева в северном полушарии и справа в южном (барический закон ветра).
Термический ветер является частным случаем геострофизического, когда сила градиентного давления связана только с температурной стратификацией в свободной атмосфере. В зависимости от угла между градиентом давления и градиентом температуры и от соотношения их абсолютных величин наблюдается большое разнообразие вертикальных профилей геострофизического ветра. Крайними случаями являются отклонения направления градиента температуры от направления градиента давления в одну сторону, когда происходит перенос воздуха из области тепла (адвекция тепла), и в противоположную сторону, когда происходит перенос воздуха из области холода (адвекция холода).
Градиентный ветер определяется как установившееся горизонтальное движение воздуха при отсутствии сил трения и, следовательно, по определению является более общим понятием, чем геострофизический ветер. В отличие от последнего, который определяется для прямолинейных изобар, градиентный ветер в циклонах и антициклонах устанавливается для круговых изобар. В этом случае наступает равновесие трех сил барического градиента, кориолисовой и центробежной сил. Очевидно, что такое равновесие наступит при движении вдоль круговых изобар против часовой стрелки в северном полушарии и по часовой стрелке в Южном.
Местные ветры объединяют большое число ветров тех видов, которые вызываются орографическими особенностями местности и, в отличие от рассмотренных, устанавливаются в нижних слоях атмосферы. К числу наиболее типичных относится горно-долинные ветры, бризы и некоторые другие.
Атмосферная турбулентность почти всегда сопровождает движение воздушных потоков в земной атмосфере и порождает пространственно-временные пульсации не только скорости ветра, но и температуры, влажности и других метеопараметров. Развитие турбулентности связано с потерей ламинарным потоком гидротермодинамической устойчивости и с появлением крупномасштабных вихрей с так называемым внешним масштабом L0. Если число Рейнольдса в потоке воздуха велико, то такие крупные вихри становятся неустойчивыми и под влиянием сил инерции распадаются на более мелкие. Этот распад продолжается до тех пор, пока размеры вихрей не приблизятся к размеру l0, называемому внутренним масштабом (при числе Рейнольдса близком к единице). Для таких мелких вихрей силы трения становятся определяющими по сравнению с силами инерции, и их кинетическая энергия движения диссипирует в теплоту. Интервал масштабов между l0 и l0 называется инерционным.
В приземном слое величина l0 близка к высоте над земной поверхностью, а внутренний масштаб составляет несколько миллиметров. На больших высотах внешний масштаб увеличивается до нескольких сот метров и даже километров. Иногда к микротурбулентным относят и такие громадные вихри, как циклоны и антициклоны.
Описание структуры стохастической турбулентности основано на гипотезе Колмогорова о локальной однородности и изотропности поля скоростей. С учетом несжимаемости воздуха при турбулентных движениях такое поле скоростей эффективно описывается математическим аппаратом так называемых структурных функций. Структурная функция случайной скорости ветра DV(l) в точке l при одномерной записи для инерционного интервала выражается "законом 2/3" Колмогорова - Обухова
DV(l)={[V(l1 +l)-V(l1)]2}=, (3-1)
где СV - структурная постоянная, близкая к первой по результатам экспериментальных измерений; z - высота над подстилающей поверхностью, k - постоянная Кармана, k 0.4.
Величина v представляет собой некоторую характерную скорость, часто называемую скоростью трения и равную при грубых оценках 0,1 средней скорости ветра на высоте k 2 м.
Стохастическая турбулентность в земной атмосфере имеет существенное значение не только для средних физических характеристик атмосферы. Не меньшее значение имеют и флуктуационные явления, определяемые структурой атмосферной турбулентности. Все размеры турбулентных неоднородностей температуры (а соответственно плотности и коэффициента преломления) оказывают существенное влияние на оптические и акустические явления в атмосфере. Крупные размеры турбулентных неоднородностей плотности воздуха оказывают существенное влияние на аэродинамику природных и техногенных объектов, расположенных на земной поверхности или в атмосфере.
Атмосфера - это газовая оболочка, не имеющая четко выраженной верхней границы и существующая благодаря гравитационному притяжению Земли. Ее масса составляет 51015 т. 97 % всей массы сосредоточено в нижнем слое толщиной около 29 км (рис. 3.1).
По резкой смене температур в ней выделяют несколько слоев, границы между которыми носят название пауз (тропо-, страто-, мезопаузы) (рис. 3.2). В самом нижнем слое - тропосфере температура по мере удаления от поверхности падает от нормальной до минус 55 °С (полюса) - минус 75° С (экватор). В стратосфере происходит резкое повышение температуры с высотой, достигающее 0°С в стратопаузе на высоте 55 км. Мезосфера охватывает слой, располагающийся в интервале 55-80 км над поверхностью Земли с температурой в мезопаузе минус 85° С. В термосфере температура повышается, достигая на высоте 400 км 1200°С. Выше термосферы располагается экзосфера, представляющая собой переходную область между атмосферой и межпланетным пространством.
Рис. 3.1. Вертикальное распределение массы атмосферы
Рис. 3.2. Слои атмосферы, выделяемые по физическим свойствам
В состав атмосферы входят различные газы, атмосферная влага (водяной пар) и пыль. Основные составные части могут быть подразделены на три группы: постоянную, переменную и случайную. К постоянной группе относятся азот (около 78 %), кислород (21 %) и инертные газы (около 1 %). Содержание их практически не меняется в зависимости от широты и долготы местности. С высотой происходит уменьшение концентрации газов и перераспределение их относительной роли. В термо сфере происходит ионизация молекул азота и кислорода, вызванная поглощением солнечной радиации, из-за чего этот слой часто называют ионосферой.
В экзосфере гравитационное поле Земли не способно удерживать ионизированные газы, которые рассеиваются в космическом пространстве (зона диссипации).
Ко второй группе относятся диоксид углерода (0,02-0,04 %) и водяной пар (до 3%), к третьей - случайные компоненты, определенные местными условиями.
Так, вблизи металлургических заводов воздух часто содержит диоксид серы, в местах разложения органических остатков - аммиак.
Стратосфера в интервале 15-50 км содержит озон (О3), максимум концентрации которого отмечается на высотах 25-30 км. В "озоновом слое" содержится до 90 % общего количества атмосферного озона. Часть озона содержится и в тропосфере, где он образуется при грозовых разрядах и при воздействии на кислород разрядов, вызванных геоэлектричеством.
Если собрать весь озон атмосферы в один слой, то при нормальных условиях (давлении 1 атм и температуре 273°С) он будет иметь толщину всего лишь 0,3 см.
В обычных условиях озон представляет собой газ с резким специфическим запахом, является сильным ядом, превосходящим по токсичности синильную кислоту. Он обладает мутагенными и канцерогенными свойствами; действует на кровь, подобно ионизирующей радиации; в смеси с кислородом взрывоопасен. Таким образом, присутствие озона в тропосфере представляет определенную экологическую проблему, тем более что в последнее время отмечается рост его концентрации в приземных воздушных слоях. Озон может возникать в результате фотохимических реакции в воздухе, загрязненном антропогенными примесями, в первую очередь в больших городах.
Стратосферный озон из-за способности поглощать губительное для биосферы коротковолновое излучение (менее 0,4 мкм) позволяет ему быть защитным экраном планеты. На стратосферных высотах озон образуется при фотолизе (распаде веществ под действием поглощенного света) кислорода ультрафиолетовым излучением с длиной волны менее 240 нм и дальнейшем взаимодействии атмосферного кислорода, образовавшегося в результате фотолиза с молекулярным кислородом.
Процесс взаимодействия всех трех типов кислорода (одно-, двух- и трехатомных) с учетом фотолиза был рассмотрен впервые английским физиком Сидни Чейменом (1929) и получил название кислородного цикла или цикла Чепмена. В упрощенном виде он может быть записан следующим образом:
О2 О + О, < 240 мкм,
О + О2 + М О3 + М,
где М — N2, О; и любые частицы, принимающие избыточную энергию соударения.
С другой стороны, под воздействием ультрафиолетовых лучей с большей длиной волны происходит разрушение молекул озона:
О3 О + О2, < 900 нм .
В атмосфере существуют определенные закономерности в распределении озона по времени, широте и высоте. В соответствии с суточными колебаниями послеобеденное содержание озона больше утреннего.
Максимальных значений содержание озона достигает весной, а осенью падает до минимума. Максимум концентрации озона приходится на высоту 25 км. С повышением широты максимум концентрации озонового слоя падает с 25 до 13 км (рис. 3.3, 3.4).
Рис. 3.3. Сезонные изменения концентрации озона с высотой
Рис. 3.4. Высотный профиль концентрации озона (а) и вертикальное распределение температуры в атмосфере (б)
Помимо газов, в составе атмосферы определенную роль играет водяной пар. Хотя он главным образом содержится в тропосфере и его проникновению в стратосферу препятствует тропопауза, являющаяся холодной ловушкой для водяного пара, тем не менее неконденсированные остатки воды проникают из тропосферы в стратосферу. На высоте около 30 км существуют области "перламутровых" облаков, состоящих из водного льда с вмороженными в него частицами разнообразных соединений азота, хлора и углерода.
Эти облака образуются как в результате разложения озона водородом (О3 + Н2 Н2О + О2), так и путем множества других реакций. У верхней границы мезосферы (80 км) происходит образование "серебристых" облаков, представляющих собой скопления ледяных кристалликов.
Важная особенность воздушной оболочки - ее запыленность, влияющая на прозрачность атмосферы. Естественным природным источником уменьшения прозрачности являются выбросы вулканического пепла. Кроме того, в результате вулканической деятельности в верхние слои атмосферы попадает огромное количество сернистого газа, который, окисляясь под воздействием солнечных лучей и реагируя с водяным паром, образует аэрозоль серной кислоты. Запыленности атмосферы способствует и антропогенная деятельность, значительно уменьшающая ее прозрачность.
Уменьшение прозрачности атмосферы за счет твердой пыли и аэрозолей способствует увеличению альбедо поверхности Земли. К тому же приводят и разнообразные химические реакции, приводящие к разложению озона и генерации перламутровых облаков водяного пара. Последние при их глобальном распространении также повышают отражательную способность Земли, что является возможной причиной климатических изменений и причиной оледенения.
Очевидно также, что изменение состава атмосферы определяет влагооборот и климат определенных территорий. Все эти вопросы рассматриваются в соответствующих разделах курса "Метеорология и климатология".
Отличительной чертой тропосферы является существование в ней атмосферной циркуляции, обусловленной неравномерным нагреванием, вызывающим различия в атмосферном давлении над разными участками земной поверхности. При возникновении разности в давлении воздух устремляется из области повышенного давления в область пониженного давления. Эти перемещения воздушных масс (или ветер) и определяют основные экологические геодинамические функции атмосферы.
Перепад давлений в определенных условиях определяет круговое движение воздушных потоков. По уменьшению кинетической энергии атмосферные вихри можно расположить в следующий ряд: циклоны, тайфуны, шквалы, смерчи (торнадо). Атмосферные вихри зарождаются вокруг мощных восходящих потоков теплого влажного воздуха и с большой скоростью вращаются по часовой стрелке в южном полушарии и против часовой - в северном. Циклоны и тайфуны зарождаются над океаном, шквалы и смерчи - чаще над континентами. Основными разрушительными факторами являются сильные ветры, интенсивные осадки в виде ливней, снегопада, града, а также нагонные наводнения.
Ветер со скоростью 3 м/с шевелит листья деревьев, 10 м/сек - качает толстые ветви, поднимает и переносит пыль и мелкий песок, 20 м/с - ломает ветви деревьев, переносит песок и гравий до 4 мм в поперечнике, 30 м/с (буря) - срывает крыши домов, вырывает деревья, ломает столбы, передвигает и переносит мелкий щебень и гальку, 40 м/с (ураган) - разрушает дома, ломает столбы линий электропередач, вырывает с корнем крупные деревья. Ветер со скоростью 30-35 м/с на море - шторм.
Циклон - гигантский атмосферный вихрь воронкообразной формы. Тропические циклоны имеют среднюю ширину в несколько сот километров, скорость ветра внутри циклона часто достигает ураганной силы и может превышать 250 км/ч, продолжительность циклона от нескольких дней до нескольких недель, скорость перемещения - от 50 до 200 км/ч. Циклоны средних широт имеют большой диаметр; поперечные размеры их составляют от тысячи до нескольких тысяч км; скорость ветра часто бывает штормовой, редко достигает ураганной силы, но обычно не превышает 40-70 км/ч; движутся они в основном с запада, отличаются меньшей повторяемостью. Северные циклоны сопровождаются катастрофическими снегопадом и градом.
Наиболее катастрофические последствия оказывают мощные тропические циклоны, количество которых достигает в некоторых странах нескольких десятков за 10 лет.
Особенно катастрофичны ураганы на океанских побережьях и островах, где ветер, кроме непосредственного воздействия на сушу, вызывает огромные волны, усиливающие разрушения и приводящие к наводнениям по долинам крупных рек (нагонные волны). Примером являются ежегодные наводнения в бассейне Амура. В Майами существует Национальный центр ураганов, эксперты которого вычислили, что летом 2000 г. в районе Мексиканского залива и в Карибском море зародится 11 тропических бурь. Семь из них окажутся ураганами со скоростью ветра около 120 километров час.
Большое негативное экологическое воздействие оказывают смерчи - атмосферные вихри со скоростью до 100 м/с, имеющие вид суженного в середине столба воздуха (вертикального или наклонного) с диаметром до нескольких десятков или сотен метров. Некоторые исследователи называют смерчи на суше метеорологическим тромбом, а смерч в океане - торнадо. При своем образовании смерч имеет вид воронки ("хобота"), спускающейся с облаков и (или) поднимающейся с поверхности земли.
Смерч проходит путь до нескольких десятков километров, втягивая в себя снизу пыль, воду, различные предметы, В 1944 г. в Воронежской области смерч вырвал из земли клад серебряных монет, в 1914 г, в одной из деревень Франции выпал дождь из лягушек, захваченных смерчем в болоте, находящемся на расстоянии нескольких десятков км.
Мощные смерчи, часто сопровождающиеся грозой, дождём, обладают большой разрушительной силой.
В Америке смерчи называют торнадо. Повторяемость торнадо в последние 10-20 лет увеличилась в 8-10 раз. Число смерчей на море значительно меньше, чем на суше. Рост числа торнадо в Северной Америке слабее, чем в Европе.
Основная причина увеличения количества торнадо - обезлесение- местности и, соответственно, образование больших открытых пространств, а также неравномерный нагрев поверхности земли, вызывающий климатические аномалии. Возможной второстепенной причиной учащения смерчей служит возникновение первичных завихрений при встречном движении скоростного транспорта. Наблюдается прямая математическая корреляция между этими явлениями - с увеличением числа транспортных средств возрастает количество смерчей.
На территории России за период с 1992 по 1995 г. произошло около 280 стихийных бедствий атмосферного характера.
Крупное стихийное бедствие произошло в г. Новороссийске в ноябре-декабре 1993 г. В течение 23 дней город испытывал воздействие ураганного ветра (20-40 м/с), сопровождавшегося снегом, метелями и гололедом. Потерпели крушение 10 судов, из которых 7 затонуло, 3 было выброшено на берег; погибло 5 человек. В ноябре 1995 г. произошел наиболее сильный за последние годы тайфун, охвативший Южный Сахалин, Камчатку и часть Приморского края. Летним шквалам и смерчам наиболее подвержены юго-запад Дальнего Востока, левобережье р. Волги, отдельные районы Урала, Северный Кавказ, побережье Черного моря. Так, огромный материальный ущерб принес сильный шквал (20-25 м/с) 13 августа 1994 г. на правобережье и северной половине левобережья Саратовской области, сопровождавшийся градом с размерами градин более 1 см. Смерч в Ивановской области 21 июня 1995 г. повредил 13 домов и разрушил ферму. По Петербургу 4 июня 2000 г. пронесся шквал и повалил дерево, которое придавило насмерть человека. Двадцать человек стали жертвами урагана, бушевавшего 16 декабря 2000 г. в американском штате Алабама. Последствия стихии оказались настолько катастрофическими, что власти вынуждены были объявить чрезвычайное положение. Пострадал небольшой г. Тускалуса, где торнадо превратил в развалины более 125 домов. Семь жителей города погибли, десятки ранены, двое пропали без вести. Во всем штате были повреждены линии электропередач и телекоммуникаций.
Природные и антропогенные факторы предопределяют существенные изменения в нормальном функционировании атмосферы, причем как в самых нижних, так и в высотных ее частях. В последние годы резко возросла роль антропогенных (техногенных) факторов.
Имеется множество различных источников антропогенного характера, вызывающих загрязнение атмосферы и приводящих к серьезным нарушениям экологического равновесия. По своим масштабам наибольшее воздействие на биосферу оказывают два источника: транспорт и индустрия. В среднем на долю транспорта (например, в США) приходится 60 % общего количества атмосферных загрязнений, промышленности - 17 %, энергетики - 14 %, отопления и уничтожения отходов - 9 %.
Транспорт, в зависимости от используемого топлива, выбрасывает в воздух оксиды азота, серы, свинец и его соединения, оксид и диоксид углерода, сажу, бензопирен (вещество из группы поли циклических ароматических углеводородов, являющееся сильным канцерогеном, вызывающим рак кожи). Реальную причину гибели деревьев, растущих вдоль крупных автомагистралей столицы, установили специалисты в 2000 году. Выяснилось, что придорожные зеленые насаждения умирают не только и не столько от выхлопных газов, сколько под воздействием технической соли. Результаты исследования причин массового засыхания деревьев, посаженных у дорог, оказались сенсационными. Свое убийственное влияние техническая соль, которой зимой обильно посыпают столичные автотрассы, оказывает не на корневую систему дерева, а на его будущую листву. Соленые брызги, летящие из-под колес машин, и испарения, поднимающиеся на высоту до четырех метров, оседают на ветках близко от растущих деревьев. Через некотрое время их ветви покрываются настоящими соляными кристаллами. Таким образом, зреющие почки попадают в своеобразный футляр, который не дает им раскрыться в назначенное время. Дерево, лишенное возможности обзавестись зеленой кроной, вскоре попросту засыхает.
Большинство веществ, выбрасываемых транспортными средствами, опасны для здоровья человека, представляют опасность для биоты в целом, нарушая баланс экосистем и влияя на урожайность сельскохозяйственных культур. Бензин поступает в организм главным образом через дыхательные пути, может заглатываться с воздухом и затем всасываться в кровь из желудочно-кишечного тракта. В основе действия бензина на организм лежит его способность растворять жиры и липоиды. Особенно сильное действие он оказывает на центральную нервную систему, кожный покров.
Индустрия приводит к промышленным выбросам в атмосферу сернистого газа, оксидов углерода, пыли (в сумме 85 % общего выброса), углеводородов, аммиака, сероводорода, серной кислоты, фенола, хлора и других соединений и элементов (15 %).
Результатом техногенного загрязнения является образование аэрозолей, смога, кислотных дождей.
Аэрозоли представляют собой дисперсные системы, состоящие из газовой дисперсной среды, в которой распределены твердые или жидкие дисперсные фазы (частицы). Размер частиц дисперсной фазы обычно составляет 30 - 10 см.
В зависимости от состава дисперсной фазы аэрозоли можно подразделить на две группы. К первой относятся аэрозоли, состоящие из твердых частиц, дисперсированных в газообразной среде, ко второй - аэрозоли, являющиеся смесью газообразных и жидких фаз. Первые обычно называют дымами, вторые - туманами. В механизме их образования существенную роль играют центры конденсации химических соединений или ядра. В качестве ядер выступают вулканическая и космическая пыль, продукты промышленных выбросов, бактерии и др. Возможные источники и количество ядер непрерывно возрастают. Так, при уничтожении огнем сухой травы на площади 200 200 м образуется в среднем 21022 ядер аэрозолей.
Образование аэрозолей началось с возникновения нашей планеты. Природные аэрозоли всегда влияли на окружающую среду, но, уравновешиваясь общим круговоротом веществ в природе, не вызывали глубоких экологических изменений. Антропогенные факторы их образования сдвинули это равновесие в сторону значительных биосферных перегрузок, тем более что человек начал использовать специально создаваемые аэрозоли в практической деятельности, например - для защиты растений в сельском хозяйстве или в виде боевых отравляющих веществ.
Медленное оседание аэрозолей предопределяет изменение прозрачности воздуха; быстрое их оседание отрицательно сказывается на зеленом покрове Земли.
Наиболее опасны для растений аэрозоли сернистого газа, фтористого водорода, азота. При соприкосновении с влажной поверхностью листа образуются кислоты, вызывающие гибель живой ткани. Кислотные туманы, попадая с вдыхаемым воздухом в дыхательные органы человека, агрессивно воздействуют на слизистые оболочки. Чрезвычайно опасны радиоактивные аэрозоли. Среди радиоактивных изотопов особую потенциальную опасность представляет Sr, не только как долго живущий радиоактивный изотоп, но и как аналог кальция, замещающий его в костях живых организмов со всеми вытекающими последствиями.
Во время ядерных взрывов образуются радиоактивные аэрозольные облака. Мелкие частицы радиусом 1-10 мкм попадают не только в верхние слои тропосферы, но и в стратосферу, в которой они могут находиться до года и более. Аэрозольные облака возникают в результате не только ядерных взрывов, но и работы реакторов промышленных предприятий, производящих ядерное топливо, и аварий на АЭС типа Чернобыльской.
Смог - смесь аэрозолей с жидкой и твердыми дисперсными фазами, образующая туманную завесу над промышленными районами. Различают три типа смога:
смог ледяной (аляскинского типа) - сочетание газообразных загрязнителей, пылевых частиц и кристаллов льда, возникающих при замерзании капель тумана и пара отопительных систем;
смог влажный (лондонского типа), иногда называемый зимним, - сочетание газообразных загрязнителей, в основном сернистого ангидрида, пылевых частиц и капель тумана.
Метеорологической предпосылкой для зимнего смога является безветренная тихая погода, при которой слой теплого воздуха расположен над приземным слоем холодного воздуха (ниже 700 м). Движение воздуха вблизи поверхности земли почти отсутствует (менее 3 м/с). Горизонтальный и вертикальный обмен воздуха затруднен. Загрязняющие вещества, рассеивающиеся обычно в высоких слоях, скапливаются в приземном слое (рис. 3.5).
Рис. 3.5. Метеорологическая обстановка, благоприятствующая
возникновению зимнего смога
Смог сухой (лос-анджелесского типа = фотохимический), называемый также летним, - сочетание озона, угарного газа, соединений азота (NOх), кислот и др. Он образуется в результате вторичного разложения загрязняющих веществ солнечными лучами, особенно ультрафиолетовыми. Метеорологической предпосылкой является атмосферная инверсия, выражающаяся в появлении слоя холодного воздуха под теплым. Обычно поднимаемые теплым воздухом газы и твердые частицы, затем рассеивающиеся в верхних холодных слоях, в данном случае накапливаются в инверсионном слое. В процессе фотолиза соединения азота, образующиеся при сгорании топлива в автомобильных двигателях, распадаются:
NO2NO + О, <240 .
Затем происходит синтез озона:
О + О2 + М О3 + М;
NO + О NO2,
сопровождаемый желто- зеленым свечением.
Эта реакция обусловливает желто-зеленую окраску смога.
Кроме того, происходят реакции по типу: SO3+ Н2О Н2SO4, приводящие к образованию капелек кислот.
С изменением метеорологических условий, связанных с появлением ветра, холодный воздух смещается и смог исчезает. Рассмотрим это на примере динамики смога в долине Лос-Анджелеса (рис. 3.6).
Рис. 3.6. Динамика смога в долине Лос-Аиджелеса
При нормальных условиях (рис. 3.6,а) температура воздуха понижается с высотой. Теплый воздух поднимается вверх и рассеивает примеси, выбрасываемые у поверхности земли.
Когда устанавливается инверсионное распределение температуры (рис. 3.6,б), холодный воздух располагается под теплым, который поступает из калифорнийских пустынь. В этом случае температура снижается, а примеси (газы и твердые частицы) накапливаются в инверсионном слое. Это продолжается до тех пор, пока метеорологические условия не изменятся. При этом ветер (рис. 3.6,в) вызывает смещение холодного воздуха и исчезновение смога.
Концентрация загрязняющих веществ в смоге различных типов приводит к нарушению дыхания, раздражению слизистых оболочек, расстройству кровообращения, нередко к смерти (в Лондоне в 1952 г. от смога погибло 4000 человек).
Особую опасность смог представляет для малолетних детей, вызывая заболевания ложным крупом.
Кислотные дожди - атмосферные осадки (дождь и снег), подкисленные из-за растворения в атмосферной влаге промышленных выбросов (SO2, NОх, НС1 и др.). При сжигании горючих полезных ископаемых (уголь, нефть и газ) большая часть содержащейся в них серы превращается в диоксид серы (SO2). При всех видах сгорания различных материалов в воздухе происходит реакция атмосферного азота с атмосферным кислородом с образованием окислов азота (NOх). Чем выше температура сгорания, тем интенсивнее идет образование оксидов азота. Из всех выбросов оксидов азота (например, в ФРГ) 55 % приходилось на транспорт, 28 % -на энергетику, 14 % - на промышленные предприятия (1982). SO2 и NOх являются кислотообразователями, реагирующими с атмосферным кислородом и водой с образованием серной и азотной кислот.
Оксиды серы и азота в атмосфере - основная причина кислотных дождей. Оксиды серы поступают в воздух при сжигании ископаемых видов топлива, содержащих серу, первое место среди которых занимает каменный уголь (до 90 %), на втором месте - нефть, значительно уступает им газ. Оксиды азота NO также образуются при сжигании топлива, а дополнительным крупным их источником является автомобильный транспорт (рис. 3.5.1).
В 1983 г. тепловые электростанции при сжигании угля и нефти выбросили в атмосферу 16,8 млн. т серы, или 87 % всех оксидов серы, выброшенных в том же году. При сжигании угля и нефти образуются два кислородных соединения серы: двуокись и трехокись серы (SO2 и SОз). В атмосфере SO2 окисляется до SOз:
2SO2 + O22SO3.
рис. 3.5.1. Количество выбросов оксидов серы и азота в атмосферу
от различных источников
Образовавшаяся трехокись реагирует с водяным паром, образуя серную кислоту:
SO3+ H2О H2SO4.
Серная кислота присутствует в воздухе в виде легкого тумана, состоящего из крошечных капель. При сжигании топлива выбрасываются в атмосферу также оксиды кальция и железа, которые вступают в реакцию с серной кислотой, образуя твердые частички сульфатов кальция и железа:
СаО + H2SO4 CaSO4 + Н2О.
Fe2О3 + 3H2SO4 Fe2(SO4)3 + 3Н2О.
Количество содержащихся в городском воздухе твердых частиц сульфатов и капелек серной кислоты может достигать 20 %. Ветер разносит эти загрязнения за сотни километров от места их выброса, образуются туманы и смоги. Оксиды азота окисляются в воздухе до диоксидов, которые тоже растворяются в капельках воды, образуя азотную кислоту:
2NO + О2 2NО2.
4NO2 + 2 Н2О + О2 4HNO3.
Эти две кислоты (H2SO4 и HNO3), а также их соли и обусловливают выпадение кислотных дождей. На растения, почву и воду выпадают также сухие частицы в виде солей.
Обычно кислотность измеряют не как отношение числа ионов водорода к числу молекул воды, а как логарифм концентрации ионов водорода, взятый с обратным знаком. Эта величина называется рН. Поскольку -lg (0,0000001) = 7, значение рН = 7 характеризует чистую воду - не кислую и не щелочную, а нейтральную. Дождь в Новой Англии с примерно 0,0001 водородных ионов на 1 молекулу воды имеет значение рН, равное —(0,0001), т.е. 4. В общем, чем меньше значение рН, тем более кислой оказывается вода (рис. 7.2.). Значение рН = 4 для дождевой воды - весьма необычное явление. Однако в настоящее время в некоторых районах часто наблюдается значение рН даже ниже 4. Естественная дождевая вода имеет слабокислую реакцию (рН6), так как находится в контакте с СО2 (естественный компонент атмосферы) и растворяет ее, образуя слабую угольную кислоту:
СО2 + Н2О Н2СО3.
Однако дожди, выпадающие в Новой Англии, например, имеют иногда рН=4 - весьма необычное явление для дождевой воды. В других регионах мира часто наблюдаются дожди с рН ниже 4 (рис. 3.6.1).
Европа также страдает от кислотных дождей. Широко распространенное сжигание угля как основного топлива, особенно в Великобритании и Центральной Европе, оказывает разрушительное воздействие на природные экосистемы.
Спектр влияния кислотных дождей очень широк. Прежде всего, они сказываются на популяциях рыб в озерах, особенно высокогорных, где вода стала кислой. По данным 1975 г., в США 51 % озер имели рН воды меньше 5, в 90 % этих озер рыба полностью отсутствовала. Правда, трудно предположить, что такая вода может сильно влиять на взрослых рыб. Скорее всего низкий рН препятствует размножению рыб, убивая икру.
Рис. 3.6.1. Значение рН для некоторых продуктов и кислотных дождей
Чистая вода имеет рН = 7, дождевая вода - рН = 5,6. Уменьшение значения рН на единицу соответствует 10-кратному повышению кислотности. Максимальная, зарегистрированная в Западной Европе, кислотность осадков составляет 23 рН (рис. 3.7).
Рис. 3.7. Шкала значений рН
Кислотные дожди оказывают агрессивное воздействие на восковой налет листьев на деревьях, на кирпичные и бетонные сооружения, увеличивая скорость химического выветривания последних. Повышение кислотности препятствует саморегулирующейся нейтрализации почв, в которых происходит растворение питательных веществ. Эти вещества выносятся в грунтовые воды. Одновременно выщелачиваются из почв и тяжелые металлы, которые потом усваиваются растениями, вызывая у них серьезные повреждения и проникая в пищевые цепи человека.
Наиболее опасным является подкисление океанских мелководий, ведущее к невозможности размножения многих морских беспозвоночных, гибели рыб, разрыву пищевых цепей (пищевой или трофической цепью называют ряд видов, звено в котором служит пищей для следующего вида) и нарушению экологического равновесия в океане (рис. 3.8.).
Рис. 3.8. Кислотные дожди: их причины и вредное влияние
Вероятно также снижение развития фитопланктона, а, следовательно, и кормовой базы для рыб. Снижение численности рыб влечет за собой исчезновение животных, которые питаются рыбой: белоголового орлана, гагар, чаек, норки, выдры и др. Численность земноводных (лягушек, жаб, тритонов), возможно, тоже сокращается.
Кроме того, подкисленные воды лучше растворяют различные минералы. Ртуть, содержащаяся в природных водоемах, в кислой среде может превратиться в ядовитую монометиловую ртуть. Подкисление воды в источниках водоснабжения может приводить к растворению в трубах токсичных металлов, которые могут попасть в питьевую воду. Так, в одном из районов Нью-Йорка подкисленная питьевая вода, простоявшая в трубах целую ночь, растворила свинец, и его содержание в воде превысило допустимые нормы.
Кислотные дожди разрушают строительные материалы (растворы, гипс, камень и др.), реагируя с кальцием и магнием, входящими в их состав; усиливают коррозию строительных конструкций из железа и других металлов. Шведские специалисты обнаружили высокую корреляцию между кислотными дождями и коррозией стали.
Конечно, кислотные дожди отрицательно влияют и на наземные экосистемы. Несомненно, что они - одна из причин деградации лесов. По имеющимся данным, например, в Чехословакии серьезно повреждены деревья на 200 тыс. га лесов именно в тех местах, где интенсивно сжигают бурый уголь с высоким содержанием серы. В Польше погибшие деревья в районах, где используется бурый уголь, обнаружены уже на 500 тыс. га. То же самое отмечено в Австрии, Швейцарии, Швеции, Германии, Голландии, Румынии, США и других странах. Кислотные дожди могут высвобождать из почв токсичный для растений алюминий.
Твердые частицы и оксиды серы, действуя совместно, вредно влияют и на здоровье людей. Серная кислота, растворяясь в каплях воды, образует едкий туман, вызывающий аллергию и другие заболевания. Частицы сульфатов железа могут создавать дополнительный канцерогенный потенциал в городском воздухе.
Из-за кислотных дождей под угрозой гибели оказалось не менее 20 % площади лесов ФРГ, Канады (рис. 3.9.).
На территории бывшего СССР площадь существенного закисления лесов достигла 46 млн га. В основном это результат переноса подкисленных осадков из Западной Европы в Прибалтийские республики, Карелию и на весь Северо-Запад России.
Рис. 3.9. Кислотные дожди на Востоке США:
а - 60-е гг.; б - 70-е гг. XX в.
Предотвращение последствий кислотных дождей - непростая проблема. В Швеции и США в порядке эксперимента было предпринято известкование озер. Известняк содержит карбонат кальция, который уменьшает кислотность воды и создает некоторый резерв сопротивляемости - буферную емкость:
СаСО3 + H2SO4 CaSO4+ H2О + CO2.
Известкование можно применять и для снижения кислотности почв в лесах. В Шварцвальде (Германия) в одном из лесов в почву внесли смесь сульфата магния (800 кгга-1) и известняка (2270 кгга-1). После такой обработки поврежденные деревья стали «выздоравливать».
Для борьбы с кислотными дождями используются те же технические средства, что и для ограничения выбросов оксидов серы и азота в атмосферу. Очистные установки различных конструкций хорошо известны. В 1982 г. Норвегия, Финляндия и Швеция предложили уменьшить выброс в атмосферу серы на 30 %. К ним присоединились Дания, Германия, Швейцария, Австрия, Канада. Великобритания и Франция отказались от таких обязательств. Канада же поставила целью снизить выбросы оксидов серы на 50 %.
В настоящее время по сравнению с 1975 г. выброс в атмосферу оксидов серы, несмотря на принятые меры, уменьшился примерно на 20 %. Многие источники и промышленные объекты, выбрасывающие оксиды серы, за этот период были просто перенесены из одного места в другое. Не следует забывать и о том, что при сжигании угля и в других промышленных производствах образуется большое количество твердых частиц. Транспортные средства также выбрасывают в воздух частицы солей свинца, капельки углеводородов, что обусловливает фотохимический смог.
Основные «поставщики» оксидов азота - выхлопные газы от автомобилей. Для борьбы с ними применяются каталитические конверторы и усовершенствованные двигатели. В США эти меры используются довольно широко, но в Европе пренебрегают контролем за выхлопными газами, хотя европейская автомобильная промышленность располагает необходимыми технологиями и на автомобили, экспортируемые в США, защитные устройства устанавливаются.
Помимо аэрозольных облаков, смога и кислотных дождей важнейшими следствиями антропогенного воздействия на атмосферу являются усиление парникового эффекта и нарушение озонового слоя.
Парниковый эффект. Поглощая значительную часть губительного коротковолнового излучения, озоновый слой стратосферы влияет также на явление, получившее название "парниковый эффект". По аналогии с повышением температуры и влажности в замкнутом пространстве парника (теплицы и оранжереи) под парниковым эффектом атмосферы понимают разогрев приземного слоя воздуха, вызывающий потепление климата. Парниковый эффект, его усиление и ослабление обусловлены тепловым балансом Земли и атмосферы.
У поверхности Земли тепловой режим определяется солнечным нагревом (инсоляцией) и внутренним теплом, поступающим из недр (тепловым потоком). Величины тепла от обоих источников качественно неодинаковы. На долю инсоляции приходится около 99,5 % всей суммы тепла, получаемого поверхностью, а на внутреннее нагревание падает около 0,5 %. Коротковолновое солнечное излучение в значительной степени поглощается озоновым слоем, атмосферной влагой, углекислотой, аэрозолями и облаками, рассеивается в тропосфере и частично отражается от поверхности Земли обратно в атмосферу (рис. 3.10). На поверхность Земли попадает около половины солнечных лучей, главным образом видимой и инфракрасной областей спектра.
Рис. 3.10. Тепловой баланс в системе Земля – атмосфера
(в % от поступающей солнечной энергии)
Лишь часть (около 22 %) коротковолнового солнечного излучения проникает внутрь Земли на глубину, не превышающую 30-40 м.
Кроме того, земная поверхность нагревается за счет длинноволнового земного излучения от внутренних тепловых источников. Длинноволновое земное излучение большей частью поглощается атмосферой и возвращается обратно. Именно этот процесс и определяет возникновение парникового эффекта. Часть длинноволнового излучения уходит в космическое пространство. Значительную роль в этом играют "окна" в озоновом слое (озоновые дыры). Таким образом, озоновый слой выступает в качестве естественного природного барьера, предохраняющего Землю от глобального похолодания.
Поглощение длинноволнового излучения происходит за счет таких примесей в атмосферном воздухе, как озон, углекислый газ и водяные пары (рис. 3.11), а не за счет поглощения азотом и кислородом - главными составными частями атмосферы. Одно время считалось, что главное воздействие на парниковый эффект оказывает вода. Однако, поглотительная способность воды незначительна. "Парниковое" воздействие углекислого газа в два раза ниже озона. Вместе с тем действие примесей СО2, О3 и Н2О проявляется в различных областях спектра, так что каждое из них эффективно само по себе.
Рис. 3.11. Поглощение энергии парами воды, озоном, углекислым
газом, определяющее «парниковый эффект» атмосферы [1]
Из изложенного выше вытекает, что парниковый эффект обязателен для атмосферы, так как присутствие в атмосферном воздухе энергопоглощающих примесей определяется в первую очередь природными факторами.
Тсхногенез приводит к резкому возрастанию концентраций всех энергопоглощающих соединений и, в первую очередь, углекислого газа. В настоящее время содержание СО2 в атмосфере составляет примерно 336 р.р.т.
Усиление поступления СО2 в воздух до 400-450 р.р.т. в процессе сжигания углеводородного топлива должно привести к глобальному повышению температуры. В настоящее время ежегодное увеличение составляет примерно 1-2 р.р.т. При концентрации СO2 в 600-700 р.р.т. возможны катастрофические изменения климата.
В мире существует около десяти главных климатологических центров, где созданы компьютерные модели будущего климата, обладающие широкими возможностями. Такие модели, известные как модели глобальной циркуляции (МГЦ), учитывают множество взаимосвязанных природных факторов, определяющих будущий климат планеты. МГЦ предсказывают повышение средней глобальной температуры на величину от 1,5 до 4,5 °С вследствие «эффективного удвоения» (усиления парникового эффекта в 2 раза) количества двуокиси углерода по сравнению с ее уровнями в доиндустриальную эпоху [19]. Подобное эффективное удвоение может произойти примерно в 2030 г., если выбросы парниковых газов будут происходить на уровне, близком современному. Однако, в связи с тепловой инертностью океанов - их медленным прогреванием -климатологи говорят лишь о «фактическом» потеплении. Фактическое потепление, прогнозируемое учеными Межправительственной группы экспертов по проблемам изменения климата (IPCC), составит примерно 1 °С относительно настоящего уровня к 2025 г. и 3 °С к концу следующего столетия. Следует учитывать, что ученые дают свои «компьютерные» прогнозы на ограниченный срок - от 50 до 100 лет.
Воспрепятствовать глобальному потеплению может только появление крупных озоновых дыр, через которые будет "улетучиваться" значительная часть тепла приземных слоев атмосферы.
Техногенные выбросы в тропосферу оксидов азота также приводят к усилению парникового эффекта благодаря обогащению тропосферного воздуха энергопоглощающим озоном. Появление высоких концентраций озона в приземных воздушных слоях, возникающих при выбросах разнообразных оксидов азота (NОх), подтверждается существованием сухого смога лос-анжелесского типа.
Нарушение озонового слоя. Возникновение озоновых дыр [1, 12]. Озоновый слой, образующийся в результате фотолиза молекулярного кислорода, непрерывно разрушается. В его разложении, согласно современным представлениям, участвуют четыре цикла химических преобразований: кислородный, водородный, азотный и галоидный [1].
В соответствии с кислородным циклом (Чепмена) в озоновом слое часть озона распадается на молекулярный и атомарный:
О3 О2 + О, < 900 им.
На долю кислородного цикла приходится до 20 % потери атмосферного озона на высотах 20-40 км (рис. 3.12).
Определенную роль в разложении озона играет и водородный цикл, обусловленный взаимодействием озона с радикалом (ОН)-. Образование гидроксила происходит при взаимодействии водорода, метана и воды с атомарным кислородом по общей схеме:
Н2О ОН
СН4 } + О ОН + { СН
Н2 Н
Сам водородный цикл может быть записан следующим образом:
ОН + О3 НО2 + О2
НО2 + О3 ОН + 2О2.
В результате: 2О3 3О2.
Рис. 3.12. Роль различных циклов (в %) в скорости разложения озона:
1 - галоидный цикл, 2 - водородный цикл, 3 - кислородный цикл,
4 - азотный цикл
Эти реакции весьма эффективны: они имеют большие скорости. Особенно большую роль играет водородный цикл на высотах 15-25 км, где на его долю приходится от 20 до 60 % потери атмосферного озона.
В конце 60-х - начале 70-х гг. исследователи для более точного согласования данных расчета и наблюденний о состоянии озонового слоя ввели в модельные представления азотный цикл разложения озона, основанный на способности оксидов азота эффективно разрушать озон:
NO2 + О NO + О2;
NO + О3 NO2 + O2;
NO2 + О3 NO3 + О2;
NO3 NO + O2.
Кроме того, при довольно низких температурах озон способен реагировать даже с относительно инертные азотом:
N2 + О3 N2O + О2
(последняя реакция может объяснить появление озоновых дыр в высоких полярных широтах).
В 1974 г. был открыт хлорный (галоидный) цикл разложения озона:
С1 + О3 С1О + О;
С1О + О С1 + О2,
которому в последние годы многие исследователи пытаются придать определяющий характер в планетарном балансе стратосферного озона.
Вклад указанных циклов в разложение озона различен (см. рис. 3.13). На озоновый слой влияет главным образом азотный цикл, тогда как галоидный оказывается не столь существенным. Приведенные выше реакции относятся к каждому, отдельно взятому циклу. Взаимодействие последних друг с другом еще очень мало изучено. В химии атмосферного озона многое продолжает оставаться неясным.
В проблеме разрушения озонового слоя могут быть выделены два аспекта. Первый - это глобальная убыль стратосферного озона. Выявление этого процесса - чрезвычайно сложная научная задача, тем не менее большинство исследователей склонны считать, что такой процесс реален. По существующим оценкам, с конца 60-х гг. Земля потеряла от 3-4 до 12-14 % стратосферного озона и скорость этого процесса нарастает.
Вторым аспектом проблемы является образование озоновых дыр - локальных (десятки тысяч - сотни миллионов км2), кратковременных (дни, недели), но сильных (десятки процентов) снижений общего содержания озона. На существование нарушений озонового слоя исследователи обратили внимание сравнительно недавно (1985), когда английские ученые выявили сильное разрушение озонового слоя в Антарктиде. В августе - сентябре 1987 г. исследователи США зафиксировали над Антарктидой резкое снижение озона до 100 единиц Добсона.
Единица Добсона - мера содержания озона, отвечающая условно толщине слоя озона в 10 -3 см, приведенного к приземным условиям в средних широтах. В средних широтах концентрация озона равна 345 е.Д., что составляет толщину слоя озона 0,345 см (при t = 0°C, давлении, равном атмосферному).
Эту область атмосферы они назвали озоновой дырой. 6 октября 1991 г. со спутника "Нимбус-7" над Антарктидой было зарегистрировано примерно такое же (до 110 е. Д.) снижение содержания озона.
С началом 90-х гг. процесс разрушения озонового слоя стал наблюдаться и в северном полушарии. Зимой 1991- 92 гг. заметное понижение общего содержания озона (ОСО) было отмечено над Северной Европой. 28 января 1992 г. на озонометрических станциях Риги, Бельска, Санкт-Петербурга зарегистрирован абсолютный минимум ОСО за весь почти 20-летний период наблюдении, составивший 200 е. Д., что на 40-45 % ниже многолетней нормы (рис. 3.13).
Рис. 3.13. Центры озоновых аномалий над территорией России
и сопредельных стран в 1982, 1903, 1996 гг.
Карта составлена по оперативным данным Центральной аэрологической обсерватории г. Долгопрудного (Бюллетень о состоянии озонового слоя, 1992-1996 гг.):
1 - месяц и год регистрации аномалии
В 1993 г. сетью озонометрических станций США было отмечено появление озоновой дыры над всей территорией США и частично Канады.
В 1995 г. процесс разрушения озонового слоя резко усилился над территорией бывшего СССР. Наиболее сильная потеря озона (до 40 %) наблюдалась в сентябре над Северо-Востоком России. Кроме того, значительные по глубине и времени проявления отрицательных аномалий наблюдались над озерами Байкал, Балхаш, над Прикаспийской впадиной, Полярным Уралом, Памиром.
С середины января до середины марта 1996 г. в стратосфере над некоторыми крупными районами Арктики концентрация озона снизилась на 40 % и более. Над Британскими островами в первой неделе марта потеря озона приблизилась к 50 %. Так, мощность озонового слоя над Великобританией зимой составляла в среднем 305 е. Д., а 5 марта она упала до 195 е.Д. |12|.
Биологические последствия нарушения озонового слоя [12]. Периодически возникающие озоновые дыры различной протяженности негативно воздействуют на биотическую компоненту экосистем, что определяется биологической ролью ультрафиолетового излучения.
Солнце во всем диапазоне волн (от 1 нм до 1000 м) излучает огромное количество энергии. В жизнедеятельности организмов значительная роль принадлежит коротковолновой части солнечной радиации с длиной волны менее 4 мкм. В зависимости от длины волны меняются свойства солнечного излучения, что определяется его квантовой природой. В соответствии с законом Планка:
Е=h с / ,
где: Е - энергия, h - постоянная Планка, (h = 6,54 10-27 эрг/см); с - скорость света; - длина волны.
Другими словами, чем короче длина волны, тем большей энергией обладают кванты энергии и, следовательно, тем более сильное действие они оказывают на различные процессы.
Ультрафиолетовая радиация (УФ) представляет собой часть солнечной радиации, лежащей в диапазоне длин волн от 0,1 до 0,4 мкм. По интенсивности воздействия на органическую среду ультрафиолетовую часть спектра подразделяют на три области: УФ-С (длина волны < 280 нм), УФ-Б (длина волны - 280-320 им) и УФ-А (длина волны - 320-400 нм), УФ-А - излучение озоном не поглощается, но особой угрозы не несет. УФ-С - излучение кроме озона поглощается и другими атмосферными газами, поэтому поверхности Земли практически не достигает.
Активно выраженным биологическим воздействием обладает УФ-Б излучение. Именно оно поглощается молекулами стратосферного озона. Его влияние на биоту сводится к следующему:
1. Воздействие на наземные микроорганизмы. Под влиянием УФ-Б на ДНК и клеточные мембраны микроорганизмы теряют способность к фотоориентации, что ведет к неадекватным реакциям на изменение окружающей среды и к гибели популяции. Их гибель приводит к нарушениям в пищевых цепях и представляет серьезную экологическую опасность.
2. Воздействие на растения суши. После облучения нарушается рост растений, уменьшается количество и размер листьев, подавляются реакции фотосинтеза (особенно у тыквенных и бобовых). Даже небольшое снижение концентрации озона приводит к резкому снижению урожаев. Негативные воздействия на растительные сообщества усиливаются также гибелью почвенных микроорганизмов.
3. Воздействие на водные экосистемы. Большая часть УФБ - излучения поглощается водой. В результате подавляется фотосинтез фитопланктона, снижается его продуктивность. Особенно чувствительны к УФБ -излучению молодые организмы зоопланктона, в которых появляются патологические изменения, приводящие к массовой гибели отдельных видов (например, при 20%-ном снижении содержания озона за 15 дней гибнут личинки анчоусов в 10-метровом слое воды).
4. Воздействие на человека. У человека критическим является воздействие на глаза, кожу и иммунную систему. В результате УФБ - излучения возникают заболевания конъюнктивитом, катарактой, появляются фотоэластоз - морщинистость кожи, эритема - солнечный ожог, рак кожи и меланома. Считается, что снижение озона на 1 % вызовет увеличение заболевания меланомой на 1-2 % и рост смертности на 0,8-1,5 %.
Важнейшим является иммуносупрессивное действие УФ-Б излучения, приводящее к снижению иммунитета и гибели популяций кожных микроорганизмов.
В связи с негативными экологическими последствиями, связанными с появлением озоновых дыр и глобальной убылью стратосферного озона, вопросы происхождения озоновых дыр и разработка единой концепции озоногенеза приобретают не только теоретическое, но и важнейшее практическое значение.
Проблема образования озоновых дыр. Современные представления о происхождении озоновых дыр могут быть сгруппированы в три концепции (гипотезы): метеоролого-климатическую, техногенно-фреоновую и эндогенную гипотезу. Последняя известна как гипотеза водородно-метановой продувки озонового слоя, связанной с процессами дегазации внешнего ядра земли.
Метеоролого-климатическая гипотеза связывает образование озоновых дыр с естественными процессами озоногенеза, протекающими в атмосфере. В соответствии с этой гипотезой общее содержание озона в конкретном объеме атмосферы зависит от характера метеорологических процессов и перепадов температуры, которые определяют не только направления воздушных движений, но и скоростные параметры реакций рассмотренных выше кислородного, азотного и водородного циклов.
Доказательством правомерности гипотезы, по мнению ее сторонников, являются фиксируемые четко выраженные колебания общего содержания озона - суточные, сезонные (для внетропических областей), связываемые с вспышками или ослаблениями фотохимических реакций.
Наблюдаются определенные корреляции между содержаниями озона и возмущением воздушных масс. Многократно установлено, что на фронтах циклонов резко понижается концентрация озона. В хорошо развитых штормах и тайфунах снижение общего содержания озона (ОСО) достигает 4-8 е. Д. Сезоны активного образования циклонов совпадают со временем минимальных значений ОСО в тропической и субтропической областях. Планетарная озоновая дыра над Северной Атлантикой совпадает с родиной циклонов. Маршруты циклонических вихрей в Каспийском регионе, над Японией и Сахалином (рис. 3.14) совпадают с центрами озоновых аномалий (см. рис. 3.13).
Рис. 3.14. Маршруты циклонов над Каспийским морем (а)
и Дальним Востоком [6]:
1 - суша; 2 – акватории; 3 - маршруты циклонов; 4 - изобара, в гекто-паскалях (по Э.К. Абузярову, С.Т. Соколову, 1991)
Возникновение озоновых дыр в полярных областях связывают также с крайне низкими температурами, существующими в определенные периоды в стратосферном слое, при которых происходит увеличение скорости озоноразрушающих реакций. Многолетние метеоданные показывают, что истощение озоносферы обычно наступает в стратосфере по мере падения температуры, когда в пределах полярной воронки, охватывающей обычно север Канады, Сибирь, Скандинавию или европейский север Арктики, образуются переохлажденные ледяные облака. Именно в них и происходит разрушение молекул озона. Так, в январе - феврале 1996 г. над Европейской Арктикой рекордно низкие температуры держались неделями. Необычность ситуации заключалась в том, что из-за крайне низких температур полярные стратосферные облака на этот раз возникали по краям воронки, что приводило к значительному разрушению озоносферы даже на средних широтах, включая Великобританию.
Определенное значение имеют, по-видимому, и изменения солнечной активности (солнечные бури), влияющие на фотохимические реакции в озоновом слое. Однако встречающиеся в литературе оценки влияния на озоносферу изменчивости солнечной активности противоречивы, вплоть до взаимоисключающих.
Техногенно-фреоновая гипотеза (ТФГ) базируется на роли в разрушении озонового слоя техногенных газов-фреонов, широко используемых в холодильной промышленности и в качестве распыляющих веществ в аэрозольных упаковках.
Фреоны представляют собой галоидопроизводные метана, этана, пропана с обязательным содержанием фтора: CFCl3, CF2Cl2, СF3С1, CF4, C2H4F2, C2H2F4 и т.д.
Авторы техногенно-фреоновой гипотезы - американские ученые М. Молина и Ш. Роуленд, открывшие хлорный цикл разложения озона, еще в 1974 г. предположили, что активный хлор в составе фреонов может поступать в стратосферу, где происходит его фотолиз в условиях сверхнизких температур (над Антарктидой):
СFC13 СFC12 +Cl ;
СF2C12 СF2C1 +Cl .
В свою очередь Cl инициирует галоидный цикл разложения озона, например:
С1 + О3 С1O + O2
С1O + O3 СlO2 + О2.
В условиях тропосферы фреоны инертны, так как плохо растворимы в воде и не горят.
В августе - сентябре 1987 г. прямые замеры, произведенные американскими исследователями с борта самолета У-2, выполнявшего полеты в нижней атмосфере из чилийского города Пунта-Аренас в глубь Антарктиды, выявили значимую корреляцию между содержаниями озона и оксида хлора в пределах озоновой дыры.
Благодаря средствам массовой информации ТФГ стала практически господствующей как в науке, так и в общественном сознании. В 1986 г. ООН в рамках программы по окружающей среде провела встречу в Монреале. Страны-участницы подписали Монреальский протокол о резком снижении к 1989 году производства фреонов. Монреальский протокол подписали и Россия, Украина, Белоруссия, которые должны перепрофилировать свои предприятия на производство новых типов хладоносителей.
В октябре 1995 г. авторы ТФГ получили за эту работу Нобелевскую премию.
Вместе с тем после появления ТФГ появился ряд данных, заставляющих усомниться в ее основных постулатах. К ним относятся:
1. Модельные расчеты, выполненные на основе ТФГ, с 1985 г. резко расходятся с фактическими данными о глобальной убыли озона (рис. 3.15).
2. Существуют исследования, указывающие на возможность разложения фреонов при контакте с некоторыми видами почвы, кварцевыми песками. Таким образом, уязвимо базовое положение ТФГ о длительности жизни и инертности фреонов в тропосфере.
3. Озоновая дыра наиболее проявлена в Антарктиде, в то время как максимальное потребление и производство фреонов сконцентрировано в средних широтах северного полушария.
Рис. 3.15. Глобальная убыль стратосферного озона:
1 - по расчетам техногенно-фреоновой модели; 2 - реальные наблюдения (С.П. Перов,1990)
Сторонники ТФГ считают, что атмосфера за год перемешивается и концентрация веществ в ней выравнивается. Вместе с тем четко установлено существование резкого градиента в концентрациях метана в Северном и Южном полушариях, стабильного из года в год и связанного с потоком биогенного метана из болот умеренного пояса Северного полушария.
4. ТФГ не учитывает альтернативных источников фреонов, кроме техногенных. Однако в пузырьках воздуха внутри антарктического льда с возрастом 1100-2600 лет обнаружены фреоны, имеющие, несомненно, вулканическое происхождение. Повышенные концентрации фреонов зафиксированы над рядом вулканов Курильской островной дуги (влк. Тятя, Менделеева, Головина).
Кроме фреонов другим существенным источником природного хлора являются лесные пожары. Образующийся при этом хлористый метил (СН3Сl) восходящими потоками нагретого при пожаре воздуха способен достигать верхних частей атмосферы.
5. Поток природного метана в атмосфере (рис. 3.16, 3.17) на 3 порядка превосходит поток фреонов любой природы. В присутствии метана реакция взаимодействия хлора с озоном не идет. Таким образом, при подобных соотношениях CН4 и С1 галоидный цикл как процесс планетарного масштаба невозможен.
Рис. 3.16. Вертикальные профили распределения метана в тропосфере:
а - зимние профили районов: 1 - г. Кирова, 2 -г. Воркуты, 3 - г. Пензы;
б - весенние (1975) профили в районе г. Воркуты:
1-26 апреля, 2-27апреля, 3 - 28 апреля (В.А Исидоров, 1985)
Рис. 3.17. Вертикальный профиль распределения метана в стратосфере.
По данным: 1 - Д.Н. Эххалта и др., 1975; 2 – М. Аккермана и др.. 1978
В основе гипотезы водородно-метановой продувки озонового слоя лежит положение о взаимодействии эндогенных флюидов (водород, метан, азот) со стратосферным озоном.
Гипотеза сформулирована российским ученым-геологом В.Л. Сывороткиным в 1990-1996 гг. и поддержана академиком РАН А.А. Маракушевым.
Как было показано, наиболее активными в процессе разрушения озона являются водородный и азотный циклы. Поэтому, с точки зрения химии процесса, гипотеза не является оригинальной. Ее основные принципиально новые положения сводятся к следующему:
1. Решающую роль в разложении озонового слоя играют эндогенные газы (флюиды). Потоки эндогенных газов обусловлены процессами дегазации внешнего ядра Земли, насыщающегося флюидами в обстановке высокого водно-водородного давления на ранних этапах существования планеты (рис 3.18).
Рис. 3.18. Строение Земли Ядро:
1 – внутреннее; 2 – внешнее; 3 - мантия; 4 - земная кора; атмосфера: 5 - нижняя, 6 - верхняя; 7 - флюидные потоки
Существование газовых потоков водорода, метана, азота с примесью гелия и углеводородов подтверждается результатами исследований в глубоких скважинах и шахтах, составом газово-жидких включений минералов в интрузивных горных породах, базальтовых лавах, фумаролах и гидротермах. Так, в Калифорнийском заливе и на Восточно-Тихоокеанском поднятии между 20 и 35° ю.ш. обнаружены водородные струи. Гидротермы с газами преимущественно водородного состава выявлены в Центральном грабене Исландии, на дне Красного моря, в желобе Тонга. Эндогенные флюидные потоки установлены в кимберлитовых трубках Удачная, Юбилейная, Айхал, Мир. В трубке Удачная дебит газовой струи достигает 1150 л/с, причем в ее составе на долю водорода приходится 56 %, метана - 44 %. Выбросы метановых потоков связаны также с местами нарушения газогидратного слоя (например, "Охотоморский метановый факел" у подножия вулкана Алаид - остров Атласова в зоне Парамуширского поперечного разлома (рис. 3.19).
Рис. 3.19. Эхограмма выбросов метана из-под слоя кристаллогидратов вблизи о. Атласов (влк. Алаид) в Охотском море (В.Ф. Гальченко, 1995)
Главными каналами дегазации, через которые растворенные во внешнем ядре газы выходят на дневную и морскую поверхность, являются грандиозные расколы литосферы - рифтовые зоны, максимально сближающиеся вокруг Антарктиды (рис. 3.20). Таким образом, атмосфера над Антарктидой подвержена максимальной продувке озоноразрушающими газами.
Часть озоновых дыр возникает над базальтовыми щитовыми вулканами, для которых характерно образование лавовых озер, флюидная продувка которых приводит к появлению "волос Пеле". Этот редкий феномен обнаружен на Гавайях (вулкан Килауэа), в Антарктиде (вулкан Эребус), в Восточной Африке (Нирагонго), возле Красного моря (вулкан Эрта-Але), на Азорских островах (вулкан Капельиниш). Все из перечисленных районов совпадают с районами появления озоновых дыр. Необходимо подчеркнуть, что крупнейшая научно-исследовательская станция в Антарктиде Мак-Мердо, где проводится изучение Антарктической озоновой дыры, расположена у подножия вулкана Эребус - крупнейшего вулкана Земли, для которого вулканологами отмечается явление газово-водородной продувки.
Рис. 3. 20. Рифтовая система в Южном полушарии:
1 - матарики; 2 - океаны; 3 - океанские рифты; 4 - контур озоновой дыры (Е.Е, Милановский, А.М. Никишин, 1998)
Общий объем эндогенных газов многократно превышает объем антропогенных озоноразрушающих соединений, в связи с чем связь глобальных трендов в содержании озона с производством фреонов представляется сомнительной. В ТФГ трудноразрешимой проблемой является транспортировка фреонов на стратосферные высоты. Фреоны тяжелее воздуха, в то время как водород в 14 раз, а метан в 1,8 раза легче воздуха. Вулканические извержения, способные выбрасывать свои продукты, в том числе и газы, на многокилометровые высоты, разрешают это противоречие.
Из всего изложенного выше вытекает общий вывод, что формирование и разрушение озонового слоя представляет многофакторный процесс. Изменение любого из параметров оказывает влияние на общее содержание и локальные концентрации озона. Попытка абсолютизации какого-то одного фактора в рамках изложенных гипотез явно обречена на неудачу.
гидросфера - это водная оболочка Земли, которая включает Мировой океан, воды суши (реки, озера, ледники), подземные воды. Воде принадлежит важнейшая роль в истории развития нашей планеты, так как с ней связано зарождение и развитие живого вещества, а следовательно, и всей биосферы. Гидросфера находится в тесной взаимосвязи с литосферой (подземные воды), атмосферой (парообразная вода) и живым веществом, в состав которого она входит в качестве обязательного компонента. Вода в биосфере выступает в роли универсального растворителя, ибо взаимодействует со всеми веществами, как правило, не вступая с ними в химические реакции. Это обеспечивает перенос растворенных веществ, например, обмен веществ между сушей и океаном, организмами и окружающей средой. Из табл. 4 видно, что подавляющая часть гидросферы (94%) приходится на Мировой океан, затем идут подземные воды и ледники.
На долю поверхностных вод в гидросфере приходится весьма малый объем (всего 0,0001%), но исключительная их активность (меняется в среднем каждые 11 дней) служит началом формирования почти всех источников пресных вод на суше.
Таблица 4.1
Распределение водных масс в гидросфере Земли
(по М.И. Львовичу, 1986)
|
Часть гидросферы |
Объем воды, 103 км3 |
% от общего объема |
|
Мировой океан |
1 370 000 |
94,0 |
|
Подземные воды |
60 000 |
4,0 |
|
в т.ч. зоны активного водообмена |
4 000 |
0,3 |
|
Полярные ледники |
24 000 |
1,7 |
|
Озеро |
280 |
0,02 |
|
Почвенная влага |
80 |
0,01 |
|
Пары атмосферы |
14 |
0,001 |
|
Реки |
1,2 |
0,0001 |
|
Вся гидросфера |
1 454 000 |
100,0 |
КРУГОВОРОТ ВОДЫ - процесс непрерывного, взаимосвязанного перемещения воды на Земле, происходящий под влиянием солнечной энергии, силы тяжести, жизнедеятельности живых организмов, хозяйственной деятельности человека. В целом для всего земного шара существует один из основных источников прихода воды — атмосферные осадки и один источник расхода - испарение, которые примерно равны 525 тыс. км3, или 1030 мм в год.
Как видно на рис. 4.1, различают малый и большой круговорот воды- При каждом круговороте вода, испарившаяся с поверхности океана, возвращается в него в виде осадков. При большом круговороте вода, испарившись с поверхности океана, частично возвращается в него в виде осадков, а частично переносится на сушу, где также выпадает в виде атмосферных осадков, питая реки и водоемы, но в конечном итоге вновь возвращается в океан речным и подземным стоком. Имеющиеся данные по объекту различных частей гидросферы и ее водному балансу позволили вычислить активность водообмена, происходящего в процессе круговорота воды (табл. 4.2). Видно, что наиболее замедленной частью круговорота воды являются полярные ледники (8000 лет), что связано с медленным движением ледников и таянием льда. Наибольшей активностью, после атмосферной влаги, характеризуются речные воды, которые сменяются в среднем каждые 11 дней. Это свидетельствует о быстрой их возобновляемости: на основе одной с лишним тысячи кубических километров русловых вод в течение года получается в 40 раз больший объем. Вот почему речная вода в естественных условиях всегда практически пресна и служит одним из основных источников водных ресурсов, т.е. круговорот воды является по существу глобальным опреснителем вод. Однако в последние десятилетия значительно возросли антропогенные воздействия на гидросферу, включая и круговорот воды (см. Водопотребление, воздействие на гидросферу).
Рис. 4.1. Круговорот воды в биосфере
Таблица 4.2
Активность водооборота
|
Часть гидросферы |
Объем, тыс. км3 |
Элемент баланса, тыс.км3год |
Aктивность водообмена, число лет |
|
Океан |
1 370 000 |
453 |
3 000 |
|
Подземные воды |
60 000 |
13 |
5 000 |
|
в т.ч. зоны активного водообмена |
4 0110 |
12 |
300 |
|
Полярные ледники |
24 000 |
3 |
8 000 |
|
Поверхностные воды суши |
280 |
40 |
7 |
|
Реки |
1,2 |
40 |
0,030 |
|
Почвенная влага |
80 |
80 |
1 |
|
Пары атмосферы |
14 |
525 |
0,027 |
|
Вся гидросфера |
1 454 000 |
535 |
2 800 |
Термин "гидросфера", как и многие основные понятия наук о Земле, имеет два значения: широкое и узкое.
В широком смысле этот термин, употребляемый часто в природопользовании и науке об охране окружающей среды, представляет собой совокупность всех вод Земли: парообразной, жидкой и твердой, содержащихся в литосфере, атмосфере, на поверхности планеты и в живых организмах. Общая масса воды оценивается величиной 21018 т. В Мировом океане на её долю (в %) приходится около 68, в литосфере - около 30, в материковых льдах - чуть более 1, в водоемах суши - 0,5, в атмосфере - менее 0,001, в живых организмах – 0,0003.
Гидросфера находится в состоянии непрерывного движения, развития и обновления. Ежегодно с поверхности Земли испаряется около 0,5 млн. км3 воды, что составляет половину объема всех водоемов суши. Водяные нары атмосферы обновляются в течение 10 сут. Вода рек в результате стока сменяется каждые 12 сут, вода озер обновляется каждые 10 лет. Вода Мирового океана полностью сменяется каждые 3 тыс. лет, а в самой малоподвижной форме воды – ледниках полный водообмен происходит за 8,5 тыс. лет.
В узком смысле гидросфера - это прерывистая поверхностная оболочка, состоящая из воды морей и океанов, поверхностных водоемов и твердой воды (снега и льда) суши. Именно так и будет рассматриваться гидросфера в дальнейшем. Геоэкологические аспекты вод атмосферы разобраны ранее, вопросы геоэкологии подземных вод будут затронуты в соответствующих разделах, посвященных геологической среде.
Термин Мировой океан, введенный в практику французским исследователем-гидрографом Кларэ де Флорие в конце XV111 в., подразумевает совокупность океанов (Северного Ледовитого, Атлантического, Индийского и Тихого), окраинных и внутренних морей.
Основными формами рельефа являются шельф, континентальный склон, окраинные моря, островные дуги, глубоководные желоба, абиссальные (глубоководные) котловины, подводные вулканические хребты, гайоты, срединные океанические хребты с узкими рифтовыми долинами.
Соленость вод Мирового океана определяется присутствием в растворенном виде галоидов, сульфатов, карбонатов натрия, магния, кальция, калия и других соединений. Соленость в различных частях Мирового океана, равная в среднем 35 %, колеблется в широких пределах, в зависимости от соотношения объемов речного стока и испарения. Минимальные и максимальные значения солености характерны для внутренних морей. Если речной сток в них преобладает над испарением, то соленость будет ниже средней (в Балтийском море - 20%). Если же преобладает испарение, то соленость - выше средней (в Красном море - 41%).
В океанской воде растворены также и газы: Na, О2, СО2, H2S и другие, насыщающие воду благодаря диффузии атмосферных газов и перемешиванию воды вертикальными конвекционными токами и течениями. Увеличение или уменьшение содержания О3, СО2 связано также с процессами жизнедеятельности организмов, подводным вулканизмом, химическими реакциями в толще осадков.
Для некоторых частей Мирового океана (Черное море, Оманский залив) характерно сероводородное заражение на глубинах 200 - 2000 м, источником которого являются ювенильные газы, а также химические реакции восстановления сульфатов, происходящие в осадках с участием анаэробных бактерий.
Прозрачность воды океана, измеряемая глубиной проникновения солнечных лучей, зависит от взвешенных в воде минеральных частиц и микроорганизмов. За условную прозрачность океанской воды принимается глубина, на которой белый диск (диск Секки) диаметром 30 см становится невидимым (табл. 4.3).
Таблица 4.3
Условная прозрачность некоторых морей
|
Море |
Глубина, м |
Море |
Глубина, м |
|
Саргассово море Средиземное море Тихий океан Индийский океан и Красное море |
66,5 60,0 59,0 50,0 |
Черное море Балтийское море Белое море |
28,0 13,0 8,0 |
Температурный режим океана определяется поглощением солнечной радиации и испарением его поверхности. Средняя температура равна 3,8°С, максимальная 33,0°С (в Персидском заливе), минимальные характерны для полярных областей.
Приповерхностную часть океанских вод занимает квазиоднородный слой (с почти однородной температурой), ниже которого располагается сезонный термоклин. Перепад температуры в нем в период максимального прогрева достигает 10-15°С. Под сезонным термоклином залегает главный термоклин, охватывающий основную толщу океанских под с перепадом температур в 5-6 °С.
Наконец, к океанскому дну примыкает придонный пограничный слой с температурой 0-2° С.
Изменение температуры с глубиной влияет и на плотность океанической воды. Ее средняя плотность в поверхностных зонах достигает 1,02 г/см3, возрастая с глубиной по мере понижения температуры и увеличения давления.
Течения вод Мирового океана возникают в результате разнообразных причин, главными из которых являются силы Кориолиса, нагревание, охлаждение, испарение воды, колебания атмосферного давления, ветер.
Течения подразделяются на дрейфовые, градиентные, приливные, синоптические вихри, цунами и сейши. Кроме того, выделяются и смешанные течения (например, Гольфстрим), образующиеся под влиянием нескольких причин.
Дрейфовые течения образуются под действием ветра в результате трения воздушного потока о водную поверхность. Направление течения составляет с направлением ветра угол 45°, что определяется влиянием сил Кориолиса. С глубиной эти течения затухают.
Градиентные течения возникают в результате образования наклона уровня воды, максимального вблизи берегов, под действием ветра, дующего длительное время. Наклон поверхности создает градиент давления, приводящий к появлению сгонного или нагонного течения. В отличие от дрейфовых, градиентные течения распространяются до дна океана,
К другим видам градиентных течений относятся бароградиентные и конвекционные. Первые обусловлены различием атмосферного давления в циклонах и антициклонах над отдельными участками Мирового океана. Конвекционные течения образуются из-за различия плотности морской воды на одной и той же глубине, что создает горизонтальный градиент давления.
Приливные течения, наблюдаемые в окраинных морях, образуются в результате воздействия на толщу воды гравитационных полей Земли, Луны и Солнца, а также центробежной силы и сил Кориолиса, возникающих при вращении Земли.
Синоптические вихри - нестационарные вихреобразные возмущения воды в поперечнике до 400 км, охватывающие толщу воды от поверхности до глубин в сотни и тысячи метров, иногда до дна океана и перемещающиеся в течение нескольких лет со средней скоростью в несколько см/с. Среди них выделяют фронтальные вихри, возникающие при отсечении изгибов течения от основного потока, и вихри открытого океана. Скорость вращения частиц в вихре в верхнем слое достигает нескольких м/с.
Цунами - гигантские волны, вызванные землетрясениями, с длиной волны от нескольких десятков до сотен км, с периодом от 2 до 200 мин и скоростью распространения в открытом океане до 800-1000 км/ч. У берегов высота волн достигает 30-40 м.
Сейши - стоячие волны внутренних морей, в которых вода колеблется как единое целое, с амплитудой до 60 м (в Черном море). Причинами сейш являются приливные явления, сильный ветер, приводящий к сгонам и нагонам, резкие изменения атмосферного давления.
Биологическая продуктивность вод Мирового океана определяется биомассой, заключенной в гидросфере. Общее количество органического вещества Мирового океана оценивается в 300 млн. т растительного вещества и в 6 млн. т зоопланктона и фитопланктона. Максимальной биомассой обладают мелководья и подводные морские дельты крупных рек. Кроме того, значительной биологической продуктивностью характеризуются выходы на поверхность океана подводных течений, выносящих с глубины более 200 м воды, обогащенные фосфатами, нитратами и другими солями. В местах выхода подобных течений, так же как и вдоль кромки тающего полярного льда, бурно развивается зоопланктон и соответственно разнообразные формы нектона (в частности, рыб).
Минимальной биомассой, достигающей всего 0,08-0,25 кг/м2, обладают глубоководные котловины и глубоководные желоба.
Минеральные ресурсы Мирового океана представлены различными полезными ископаемыми, главными из которых являются: нефть и газ, месторождения которых приурочены к шельфу и континентальному склону (рис. 4.2):
железо-марганцевые конкреции и железо-марганцевые корки, наиболее крупные месторождения которых приурочены к глубоководным котловинам Тихого океана (рис. 4.2.);
сульфидные руды, приуроченные к «курильщикам», парагенетически связанным с внутриокеаническими рифтами (осевыми зонами СОХ) и задуговыми бассейнами;
металлоносные осадки и металлоносные рассолы, представляющие собой естественные руды марганца, меди, полиметаллов и др. Осадки и рассолы обнаружены на дне Красного моря, Восточно-Тихоокеанском поднятии, в точке тройного сочленения СОХ в Индийском океане;
фосфориты, встречающиеся вдоль побережий океанов на глубинах 200-1500 м в пределах шельфа и континентального склона, а также в глубоководных котловинах окраинных морей; газогидраты, запасы метана в которых оцениваются в десятки триллионов тонн и во много раз превышают запасы газа на суше.
Рис. 4.2. Нефтегазоносные и перспективные бассейны впадин
Мирового океана (Л.3. Левин, 1971 с упрощениями):
1 - границы нефтеносных бассейнов, установленных (а) и предполагаемых (б); 2 - край материковой отмели; 3 - месторождения нефти и газа
Мощность газогидратного слоя составляет несколько десятков метров. Слой залегает в толще осадков на глубине 200 м ниже поверхности дна: россыпные месторождения олова, золота, титана, образующиеся в пределах шельфа.
В настоящее время активно разрабатываются только морские и океанские нефтегазовые месторождения, в небольших объемах - морские россыпи. Треть мировой добычи нефти извлекается из шельфовых месторождений. В 1970 г. в Австралии добывалось около 90 % рутила и более половины циркона из шельфовых месторождений. В Индонезии свыше половины добычи касситерита извлекается из подводных россыпей с глубин до 35 м. В Японии на глубине до 30 м добываются железистые пески (2,4 млн т в год).
Рис. 4.3. Схема распределения железомарганцевых конкреций на дне
Тихого океана (Скорнякова, Андрущенко, 1970, с упрощениями);
1 - редко встречаются; 2 - часто встречаются; 3 - рудный концентрации конкреций; 4 - контуры рудных концентраций конкреций под слоем осадков
Шельфовые россыпи алмазов на юго-западе Африки с запасами 7,9-13,6 млн кар скрыты под слоем воды 30-120 м. В 1968 г. работы на Мировом шельфе вели более 100 стран на 726 научно-исследовательских станциях [29].
Большинство полезных ископаемых, за исключением нефти и газа, представляют потенциальное минеральное сырье XXI в.
Основные геоэкологические последствия природных процессов, протекающих в Мировом океане, сводятся к изменению конфигурации, подтоплению и осушению береговой зоны, возникновению нагонных наводнений, разрушительной деятельности волн-цунами. Огромное значение принадлежит также процессам, связанным с глобальным потеплением и эффектом "Эль-Ниньо".
Преобразование строения и очертаний суши в результате абразии и прибрежной аккумуляции
Большинство современных морских берегов возникло в результате послеледникового повышения уровня Мирового океана - фландрской трансгрессии (см. ниже), затопившей окраинные части материков и островов [33]. В зависимости от того, какой наклон имели затопленные части суши, возник тот или иной тип берегов. Подсчитано, что во время последнего покровного оледенения, максимум которого приходился на период 17-18 тыс. лет назад, уровень океана был на 110-120 м ниже современного. Современный уровень океана установился 5-7 тыс. лет назад. Последующее изменение конфигурации морских и океанских побережий, влияющее на условия жизнеобитания населения прибрежных городов и населенных пунктов, происходило в результате абразии, переноса и отложения обломочного материала.
Абразия скальных и рыхлых горных пород, слагающих побережья, связана с движением воды, возникающим в дрейфовых и приливно-отливных течениях. Даже при слабом волнении у берегов плещутся волны, непрерывно подтачивающие и разрушающие прибрежные скалы. Во время сильных штормов на берег обрушиваются колоссальные массы воды, образующие всплески высотой в несколько десятков метров. Сила удара таких масс воды способна причинить серьезные разрушения берегам и находящимся на них сооружениям и постройкам.
Сила прибоя во время шторма достигает нескольких тонн на 1 м . В Черном море зарегистрированы удары волн силой 2,8 т/м2. На западном побережье Шотландии давление прибойной волны на 1 м2 достигает 30 000 кг, на Балтийском море - 10 000 кг. Подобные волны разбивают самые прочные породы и передвигают на значительные расстояния обломки скал массой многие десятки и сотни тонн.
Как велика может быть сила прибоя во время сильных штормов, можно убедиться на примере того, что во время одной такой бури в гавани Вик в Шотландии была сдвинута на 10-15 м каменная глыба массой 1370 т, лежавшая на берегу. В 1931 г. на Черном море в сильную бурю штормовыми волнами в поселке Симеиз в Крыму были разрушены скала Монах и два каменных двухэтажных дома.
Таким образом, уже одной этой механической силы удара воды достаточно, чтобы представить себе, какое разрушительное действие должна оказывать каждая набегающая волна на горные породы берега, подготовленные к тому же выветриванием, разбитые трещинами и т.п.
Не меньшее воздействие оказывают на берег повседневные заплески волн, наблюдаемые у берега даже при слабом волнении. В результате почти непрерывного действия волн в основании склона берега образуется волноприбойная ниша, углубление которой приводит к обвалу пород карниза, потерявших устойчивость.
В дополнение прибрежные скалы могут «бомбардироваться» галькой, песком и другим твердым обломочным материалом, который волна захватывает с собой со дна, В высоких широтах, где у берегов часто наблюдается плавучий лед, последний может также увеличивать разрушительное действие прибоя на береговые скалы.
Сначала продукты разрушенного берегового уступа (карниза, или клифа) в виде пластин пород высотой иногда в десятки метров и толщиной 10-15 м медленно сползают к морю, затем распадаются на отдельные глыбы. Крупные глыбы остаются некоторое время у подножия склона, где набегающие волны полируют их и дробят, а мелкие обломки окатываются и превращаются в гальку. В результате у подножия склона формируется площадка, покрытая галькой - абразионная терраса, а подмытый береговой обрыв - абразионный уступ отодвигается в глубь суши.
Скорость отступания зависит от интенсивности прибоя, относительной стойкости слагающих береговой откос горных пород, их трещиноватости, степени выветренности и многих других факторов. Скорость отодвигания берега может быть значительной (на западном побережье Франции, полуострове Медок, 15-35 м/год, в районе Сочи, на Черном море, - до 4 м/год). Ярким примером уничтожения суши морем является остров Гельголанд в Северном море, площадь которого меньше чем за тысячу лет уменьшилась с 900 до 1,5 км2 (около 0,9 км2/год).
В отступании берегового обрыва большую роль могут играть и гравитационные процессы, которым благоприятствуют структурные условия. Так, при падении пластов горных пород в сторону моря могут иметь место оползни и обвалы, отрывающиеся по плоскостям наслоения - явления, распространенные в западной части Черноморского побережья Кавказа. Береговым обрывам, в которых пласты осадочных пород падают в сторону суши, такие процессы почти не присущи.
Наиболее интенсивно абразия протекает, если направление волн по отношению к берегу близко к перпендикулярному. Если волны подходят к 6epeгy параллельно или под острым углом, то при сильно изрезанной береговой линии происходит аккумуляция песчано-галечного материала на мысах, ограничивающих входы в заливы и бухты. Начинают формироваться косы, постепенно перегораживающие вход в залив. Косы могут достигать от одного до нескольких метров высоты, от нескольких сот и десятков метров до нескольких километров в ширину и многих десятков километров в длину. Косы, отделяющие от Каспия залив Кара-Богаз-Гол, имеют длину 45-47 км. Впоследствии косы превращаются в сплошную пересыпь, отшнуровывающую залив или бухты от открытого моря, приводя к возникновению лагун (рис. 4.4). Примером подобных образований являются лагуны южного побережья Балтики (например, Курский - Куршский залив и коса того же названия, Ара-батская стрелка, отделяющая Сиваш от Азовского моря).
Рис. 4.4. Сложная коса Торонтской бухты (по Д. В. Джовсову [29])
Техногенная деятельность человека приводит к нарушению природных процессов формирования берегов, что часто имеет отчетливо негативные экологические последствия.
Добыча в 70-е годы гальки и песка для строительных нужд привела к частичному разрушению Арабатской стрелки, что повлекло за собой увеличение солености Азовского моря и, как следствие, сокращение ихтиофауны и исчезновение отдельных видов рыб.
Возведение плотины через узкий пролив между косами Кара-Богаз-Гола нарушило баланс между притоком и испарением морской воды, что привело к осушению залива, изменению процесса образования уникальных месторождений самосадочных солей, дефляции высыхающей рапы и разносу галоидных, сульфатных и других соединений на тысячи км2 и, как следствие, к засолонению орошаемых земель.
Экологические последствия колебаний уровня Мирового океана
На изменение площадей суши, морей и океанов, так же как и конфигурации берегов, определенное влияние оказывают и колебания уровня воды. Различают короткопериодные колебания, измеряемые секундами, минутами, часами и сутками, и длительные (вековые) продолжительностью от десятков до сотен тысяч и миллионов лет. Короткопериодные колебания уровня моря обусловлены преимущественно динамикой вод: волновыми движениями, градиентными, дрейфовыми, приливно-отливными течениями.
Одним из негативных экологических явлений, вызванных короткопериодными колебаниями уровня морей, являются нагонные наводнения.
При сильных западных ветрах в Финском заливе образуются дрейфовые нагонные течения, задерживающие сток воды из Невы в море. В результате в Санкт-Петербурге периодически возникают наводнения, наиболее значительным из которых было наводнение в ноябре 1824 г. (описано А.С. Пушкиным). Подьем воды выше ординара (нулевой отметки на водомерной рейке, показывающей средний многолетний уровень воды в водоеме) составил 410 см. В сентябре 1924 г. он достигал 369 см. Для борьбы с этим явлением начато и почти закончено строительство дамбы, перегораживающей Невскую губу и, как оказалось потом, повлекшей значительные экологические последствия.
Длительные (вековые) колебания уровня моря вызваны эвстатическими и тектоническими причинами. Под эвстатическими колебаниями понимают изменения уровня воды, связанные с изменениями общего количества воды в Мировом океане и проявляющиеся одновременно во всех его частях. Причина эвстатических колебаний - возникновение и таяние материковых покровных ледников, отражающееся в смене межледниковых и ледниковых эпох, или крупные изменения размеров и глубин океана. Во время великих оледенений значительный объем океанических вод перекочевывал на сушу в виде материковых ледяных щитов, а в межледниковье - при их таянии - вновь возвращался в океан.
Вертикальные тектонические движения также вызывают длительные колебания уровня моря. Причем тектонические опускания определяют трансгрессию, или наступление, морей, а тектонические поднятия приводят к регрессии, или отступлению, морей, соответственно происходят относительные повышения или понижения уровня воды по отношению к поверхности суши.
Экологические последствия трансгрессий и регрессий, а также эвстатических колебаний на территории бывшего СССР особенно заметны на побережье Черного, Азовского и Каспийского морей. В Сухумской бухте затоплены постройки греческой колонии Диоскурии, у берегов Таманского полуострова в Крыму на дне находят греческие сосуды - амфоры, у северного побережья Азовского моря, а также близ Николаева расположены затопленные скифские курганы. В 2000 г. власти Александрии (Египет) объявили о новой возможности для дайверов - разрешили подводные погружения и экскурсии к древним руинам и памятникам, обнаруженным вблизи берега Средиземного моря. Здесь можно увидеть найденный в середине 90-х г. назад Фаросский маяк - одно из семи чудес света. Позже египетские власти обещают открыть подводный доступ к дворцу Клеопатры и руинам Гераклиона, построенным более 2500 лет назад, которые оказались под водой из-за затопления берегов.
Не менее очевидны следы «погружения» берегов на западном побережье Черного моря. У Созополя близ Бургаса (Болгария) под уровнем современного моря находятся римские постройки (3 тыс. лет до н.э.), а у самого Бургаса - стоянка ранненеолитического человека (3 тыс. лет до н.э.). В определенной степени это затопление связано с послеледниковым (голоценовым) эвстатическим повышением уровня Мирового океана, что доказывается совпадением во времени фанагорийской трансгрессии и западноевропейской (фландрской).
Особенно заметно «опускается» южное побережье Северного моря близ Нидерландов. Для защиты от наступающего моря населению этой страны пришлось строить дамбы, постепенно надстраивая их. К настоящему времени высота этих дамб, постройка которых была начата в X-XI вв., достигает 15 м и более, что позволяет оценить скорость подъема уровня моря в 0,5-0,7 мм/год. Значительная часть современной территории Нидерландов находится ниже уровня моря. Несмотря на сложную систему плотин и дамб, море неоднократно вторгалось в глубь страны и затопляло населенные области. В 1282 г. море прорвало заградительные сооружения и, соединившись с озером Флево, образовало залив Зейдер-Зе. В течение XVI-X1X вв. целый ряд участков, отвоеванных у моря, неоднократно подвергался затоплению. Общеизвестно также о периодическом затоплении так называемого «Беренгийского моста» -участка суши, который соединял Азию с Америкой в районе Берингова пролива. По Беренгийскому мосту шло распространение животных и человека из Азии в Америку. В других районах Мирового океана наблюдается относительное опускание уровня воды. Развалины финикийского города и порта Утика на южном берегу Средиземного моря ныне находятся на расстоянии 12 км от берега. На Новой Земле на значительной высоте над уровнем моря располагаются рыбачьи избушки и причалы рыбаков-поморов. Такая же картина наблюдается в районе шведских и финских портов Ботнического залива.
Относительное поднятие уровня воды в морях приводит к подтоплению прибрежных зон, что обусловлено подпором и поднятием грунтовых вод. Подтопление ведет к разрушению фундаментов, осадке строений, затоплению подвальных помещений. Подтопление увеличивает также капиллярное насыщение почв, что приводит к их переувлажнению, заболачиванию и засолонению. Именно этот процесс, связанный с продолжающейся в настоящее время трансгрессией Каспийского моря, активно развивается на Дагестанском побережье Каспия, доходя до территории Чеченской республики.
Археологи указывают на тесную связь между периодическими колебаниями уровня воды в Каспийском море и вынужденными переселениями древнего человека на Южном Урале (Г.Н, Матюшин, 1996). Б 60-70х г, XX в. при раскопках стоянок каменного века на Южном Урале было замечено, что первобытные рыболовы периодически меняли высоту своих поселений: то они жили на 15-20-метровых террасах, то спускались в поймы и длительное время обитали в тех местах, которые в современный период периодически затопляются водами рек или разливами озер. Особенно часто менялись высоты поселений между X-II тыс. лет до н.э. Так, Х тыс. лет до н.э. люди обитали на низких (ныне большей частью затопленных) террасах. В IX-VIII тыс. до н.э. древние рыболовы переселились на 20-25 м выше от среднего уровня уреза воды в реках и озерах. В конце VIII-VII тыс. лет до н.э. поселения вновь перемещаются на низкие террасы. Третье переселение произошло во второй половине VI и первой половине V тыс. лет до н. э., четвертое - в конце IV - начале III тыс. лет до н. э. и пятое - около 1125-1200 г. до н. э. Археологи предположили, что многолетние засухи заставляли людей менять места стоянок.
Временные периоды, когда древние поселения Южного Урала располагались то на высоких террасах, то на низких поймах, четко коррелируются с периодами изменения уровня воды в Каспийском море. Изучение берегов Каспия показало, что в те годы, когда люди перебирались ближе к воде - в места, которые сейчас затоплены, уровень воды в море падал на десятки метров. В первый экологический кризис (Х тыс. лет до н. э.) уровень Каспийского моря упал до 60 м, потом поднялся на 50 м (VIII тыс. лет до н. э.), затем вновь опустился - на 30 м (VI тыс. лет до н.э.). Примечательно, что и в закрытых водоемах Африки в те же периоды тоже происходили значительные колебания уровня вод. Вполне вероятно, что подъемы уровня воды воспринимались древними людьми как «потопы».
Азербайджанское побережье Каспия протяженностью в 825 км сегодня относится к зоне экологического бедствия. За последние 20 лет было затоплено около 800 км2 территории, где располагались промышленные, транспортные, рекреационные объекты, а также жилые комплексы городов Баку, Хачмаз, Сумгаит, Нефтчала, Ленкорань, сельскохозяйственные земли. Поднятие уровня воды в Каспии еще больше расширило на территории Азербайджана ареалы солончаковых пустынь и полупустынь. В прибрежной полосе Ленкоранской низменности увеличились площади развития лугово-болотистой растительности (А.А. Микаилов, С.Ю. Кулиева, 2000).
В ряде случаев трансгрессии стимулируются деятельностью человека. Начавшееся затопление Венеции в 70-80-х гг. XX в. водами Адриатического моря предположительно связывается с опусканием морского дна вследствие просадок, вызванных откачкой пресных подземных вод в целях питьевого водоснабжения города.
Разрушительны цунами, возникающие в открытом океане в эпицентре землетрясений, откуда они расходятся со скоростью от 20 до 300 м/с (зависит от глубины океана). Высота волн, обрушивающихся на берега, города и поселки, достигает 30 м, скорость 72-1080 км/ч.
Типичным примером экологической роли цунами является знаменитое Лиссабонское землетрясение 1775 г. Эпицентр землетрясения располагался под дном Бискайского залива вблизи Лиссабона. После серии форшоковых толчков, продолжавшихся в течение 8 мин, во время основного толчка на набережной образовался провал, в водяную воронку которого были вовлечены люди и корабли, стоявшие у берега. На месте набережной образовался залив глубиной 200 м. В начале землетрясения море отступило, но затем огромная волна высотой 26 м обрушилась на берег и затопила побережье на ширину до 15 км. Таких волн, следовавших одна за другой, было три. То, что уцелело от землетрясения, было смыто и унесено в море. Только в гавани Лиссабона было уничтожено или повреждено свыше 300 судов.
Волны Лиссабонского землетрясения прошли через весь Атлантический океан: у Кадикса их высота достигла 20 м, на Африканском побережье, вблизи города Танжера (Марокко) - 6 м, на острове Мадейра - до 5 м. Волны ощущались и у берегов Америки на островах Мартиника, Барбадос, Антигуа.
Эффект глобального потепления. Увеличивающееся в настоящее время тепловое загрязнение атмосферы (парниковый эффект) неизбежно вызовет глобальное потепление климата и эвстатический подъем уровня Мирового океана со всеми вытекающими экологическими последствиями. Повышение произойдет в результате увеличения объема морской воды вследствие нагрева и таяния ледников.
По расчетам специалистов, в будущем средние темпы потепления будут выше, чем за любой период последних 10 000 лет. Атмосфера уже содержит на 25 % больше углекислого газа, чем было накоплено в последние 160 000 лет. Однако, в силу значительной природной изменчивости климата темпы потепления могут ускоряться или замедляться в отдельные годы или десятилетия. Вследствие инерционных свойств океанических водных масс, которые нагреваются медленнее, чем суша, температура будет повышаться и после 2100 г., даже если содержание парниковых газов в атмосфере к этому времени стабилизируется. Ожидается подъем среднего уровня Мирового океана к 2100 г. на 500 мм при допустимом разбросе значений от 150 до 950 мм. Рабочая группа IPCC считает, что повышение уровня моря всего лишь на 1 м в конце будущего столетия, которое приводится в одном из прогнозов как максимально возможное, привело бы к перемещению человеческих поселений, разрушению инфраструктуры городов, лежащих в низменностях, затопило бы арабские страны, загрязнило бы воду в системах водоснабжения и у берегов. Прямое воздействие подъема уровня воды в океане - перемещение береговой линии и влажных земель районов прилива и вторжение фронта соленых вод в устья рек, а также засолонение пресноводных прибрежных акваторий. Все эти процессы глубоко затронуг человеческое общество, особенно, густонаселенные прибрежные районы. При повышении уровня моря всего на 1 м море зальет 15 % площади Египта и 14 % урожайной земли Бангладеш [19].
Эффект "Эль-Ниньо" (по-испански - младенец) - разрушительный феномен природы, связанный с теплыми течениями в экваториальной части Тихого океана, которые определенным образом воздействуют на мировой климат, приводя к стихийным бедствиям и природным катастрофам в самых разных уголках Земли.
Эффект "Эль-Ниньо" возникает, когда в силу естественных колебательных процессов перераспределения энергии в океане ослабевает сила пассатов, дующих вдоль экватора с востока на запад. Если обычно эти ветры заставляют теплую воду скапливаться у берегов Индонезии, где ее температура на 7-9 °С выше, чем на противоположном конце у побережья Эквадора, то в годы "Эль-Ниньо" она устремляется через океан в обратную сторону. В тропиках Тихого океана на огромной территории, протяженностью примерно 7000 км длины и 1100-1200 км ширины, возникает аномалия теплой воды.
Изменение направления теплого экваториального течения на противоположное приводит к тому, что тепловая аномалия смещается к берегам Чили и Перу. В годы "Эль-Ниньо" термоклин смещается к востоку. Холодная вода, богатая питательными веществами, не может подняться на поверхность. В перегретой воде гибнет от недостатка кислорода планктон и зарождающаяся молодь рыбы, происходит нарушение пищевых цепей. Теплые области в океане выделяют огромную термальную энергию, происходит испарение воды и образуются совершенно новые облачные и штормовые фронты. Климат на разных континентах меняется местами. Засуха в Новой Гвинее, на востоке Австралии и в Индонезии, лесные пожары на Филиппинах и в Таиланде соседствуют с необычайно большим количеством осадков в Чили - самом засушливом уголке планеты и наводнениями в гористых областях Перу.
Когда вода в тропической зоне нагревается до 28-29 °С, начинаются процессы формирования сильнейших циклонов, которые потом оборачиваются такими стихийными бедствиями, как тайфуны и ураганы. Так самый мощный за последние полвека "Эль-Ниньо" 1982-1983 гг. унес жизни более 2 тыс. человек и причинил ущерб свыше 13 млрд. долл.
"Эль-Ниньо" ощущается и в широтах, расположенных на значительном удалении от экватора. Под воздействием событий, происходящих в Тихом океане, траектории пассатов искривляются, изменяются направления сухих и влажных ветров, а вслед за ними смещаются и привычные зоны осадков.
Предположительно в связи с "Эль-Ниньо" 1997-1998 гг. вновь стал расти уровень Каспия, из-за обильных дождей на 20 % увеличился сток Волги, из-за некоторого изменения траекторий океанских течений происходит смена традиционных мест скопления промысловых рыб.
С начала века ведутся наблюдения за этим феноменом природы. Их анализ показывает, что если прежде классический полный цикл явления (связанный, по мнению ученых, с циклами накопления солнечной энергии в океане) составлял 11 лет, то в последние полвека его периодичность значительно возросла. Эффект "Эль-Ниньо" возникает каждые 4-7 лет. Цикл развития "Эль-Нипьо" занимает примерно два года.
Наблюдением за "Эль-Ниньо" занимается сеть научных институтов в рамках принятой после катастрофы 1982-1983 гг. Всемирной программы изучения климата (ВПИК). Разработана специальная система контроля за тропической частью Тихого океана. Создана сеть буйковых станций, ведущих непрерывные наблюдения за различными параметрами внутри водяной толщи и на ее поверхности: температурой, соленостью, плотностью. Измеряются скорость ветра и атмосферное давление. Кроме того, задействована спутниковая система контроля, которая позволяет следить сверху за изменением пространственной картины происходящего.
Активное использование человеком Мирового океана в качестве транспортной магистрали, источника пищевых и минеральных ресурсов, хранилища твердых и жидких (в том числе химических и радиоактивных) отходов неизбежно порождает экологические проблемы.
Проблема загрязнения прибрежных зон и открытого океана
Примыкающая к суше часть океана в международной практике подразделяется на пространства различной государственной юрисдикции. Выделяют зону территориальных вод протяженностью 12 миль, прилежащую зону (до 24 миль от внутренних вод) и экономическую зону общей шириной 200 миль, или около 370 км (рис.4.5). Экономическая зона является зоной суверенного права приморского государства на разведку, разработку, сохранение и воспроизводство живых и минеральных ресурсов, а также управление этими ресурсами.
Рис. 4.5. Экономические зоны Мирового океана
Общемировая площадь экономической зоны, интенсивно осваиваемая человеком, составляет 36 % площади акватории Мирового океана. Естественно, что именно она испытывает максимальную антропогенную нагрузку. Одним из основных источников загрязнения экономической зоны и открытого океана является экономическое развитие приморских государств, рост населения и промышленно - технического потенциала городов и городских агломераций.
Средиземное море превратилось в огромный резервуар для промышленных и хозяйственно-бытовых сточных вод. Каждый год в него поступает около 0,5 млн. т нефти. Порция ежедневного сброса фабрики по производству титана в Ливорно (Италия, берег Лигурийского моря) содержит 920 т медного купороса и 2400 т серной кислоты. По существу, в Средиземное море осуществляются выбросы всеми странами этого региона. Учитывая, что вода Средиземного моря обновляется каждые 80 лет, при современных темпах загрязнения Средиземное море рискует превратиться в мертвый водоем через 30-40 лет.
Что касается отечественных гидроресурсов, то сегодня особенно уязвимо Черное море: с глубины 100-150 м в его водах начинается бескислородная сероводородная зона, которая при современной структуре и балансе Н2О пока находится в стабильном состоянии. Однако при увеличении водопотребления до размеров более 50-70 км3/год и нарушении баланса речного и морского притоков (в настоящее время 360 и 200 км3 /год соответственно) в Черном море возможно наступление глубокой конвекции [26]. Примером последствий возможной конвекции служит Мертвое море, в котором в 80-х гг. сероводородные соленые воды вышли на поверхность, и оно стало действительно мертвым. Произошло это очень быстро - за 80-90 мин (один оборот спутника «Landsat» вокруг Земли).
Другим источником загрязнения является речной сток, выносящий в Мировой океан значительный объем загрязняющих веществ.
Река Рейн ежедневно выносит в территориальные воды Нидерландов 35 тыс. м3 твердых отходов. 10 тыс. т химикатов (соли, фосфаты, ядовитые вещества). Английские исследователи Батерборт и др. (1972) обнаружили аномальные уровни содержания кадмия и цинка в моллюсках, обитающих в 140 км ниже по побережью от места впадения р. Авона (Эйвонс), в устье которой расположены плавильни.
Определенную роль в загрязнении территориальных вод играют и рекреационные зоны, к которым относят природные или специально организованные территории, традиционно используемые для отдыха и досуга. Максимальная антропогенная нагрузка в этих зонах приводит к резкому изменению бальнеологической и бактериальной ситуации прибрежных вод и способствует увеличению роста и распространению различных заболеваний.
Особую опасность для Мирового океана представляют катастрофы на плавучих и стационарных буровых установках, ведущих разработку морских нефтегазовых месторождений, а также аварии танкеров, перевозящих нефтепродукты. Нефть является одним из самых опасных загрязнителей океана. Только 1 т нефти способна покрыть тонким слоем площадь в 12 км2. Нефтяная пленка не пропускает солнечные - лучи, препятствует фотосинтезу кислорода в воде.
Повышение интереса к проблеме Мирового океана связано с возможно более широким использованием его ресурсов. Это обусловлено как увеличением численности населения на Земном шаре и потребности человечества в продовольствии и минеральном сырье, так и ограниченностью пищевых и минеральных ресурсов, производимых на суше, а также постепенным истощением береговых источников сырья.
Океан - это не только кладовая ресурсов, но и один из главных элементов в общей системе экологического равновесия на Земном шаре. Океан оказывает сильное влияние на состояние атмосферы, формирование погоды, климат, энергетический и газовый балансы планеты, круговорот веществ в природе.
Основные водные объекты и их параметры диагностирования приведены на рис. 4.6.
Рис. 4.6. Основные видные объекты и их параметры диагностирования
Увеличивающиеся масштабы промышленной деятельности человека, растущее количество отходов, сбрасываемых в моря и океаны, начинают все более сильно сказываться на естественные процессах в Мировом океане. Раньше вопрос об уязвимости океана как экологической системы не ставился, поскольку способность морской среды к регенерации считалась неограниченной. Полагалось, что последствия деятельности человека, связанной с использованием и освоением океана, малы по сравнению с масштабами естественных процессов, происходящих в нём. Однако стало ясно, что растущее загрязнение Мирового океана наносит серьезный вред живым организмам и водной среде.
Загрязнение морей и океанов приобретает в наши дни значительные масштабы. Сейчас повсеместно в Мировом океане можно встретить бытовые и промышленные отходы.
Среди веществ, загрязняющих Мировой океан и внутренние водные бассейны, наибольшую опасность представляют отходы химического производства и ядерных установок, пестициды, тяжелые металлы, различные пластмассы, нефтяные углеводороды.
К наиболее опасным загрязнениям природных вод относятся нефть и нефтепродукты. Они наносят серьезный ущерб флоре и фауне моря, а также нарушают естественные физико-химические процессы, происходящие в водных бассейнах.
Уже сегодня необходимо решить следующие геоэкологические задачи:
ввести систематическую оценку уровня загрязнений внутренних водоемов, морских и океанических вод;
выполнить прогноз динамики загрязнений вод с учетом сбросов, гидрометеорологических и гидрохимических условий;
разработать рекомендации по оптимальному режиму сбросов в конкретных районах, при соблюдении которых процессы естественной утилизации загрязнений будут превалировать над процессами их поступлений,
дать всестороннюю научно обоснованную оценку тех негативных последствий, к которым приводят нефтяные загрязнения, и в первую очередь пленочные,
разработать эффективные методы диагностирования нефтяных загрязнений, поскольку своевременное обнаружение загрязнений позволяет существенно уменьшить наносимый ими ущерб.
В исследованиях, связанных с нефтяными загрязнениями, большой интерес представляет изучение оптических свойств нефти и нефтепродуктов в широкой области спектра, влияния нефтяных пленок на оптические свойства воды, а также влияния нефтяных загрязнений на световой и тепловой режимы вод и обмен с атмосферой. Поскольку оптические характеристики нефти и нефтепродуктов существенно отличаются от соответствующих характеристик воды (оптический контраст), имеется принципиальная возможность обнаружения пленок нефти с помощью дистанционных методов диагностирования и практической реализации активного метода в приборном исполнении.
Общее ежегодное поступление нефти в моря и океаны, по данным экспертов ООН, достигает 6 млн т. Это количество примерно равно суммарному количеству углеводородов, образующихся в морях и океанах в процессе естественного разложения растительных и животных остатков.
Нефтепродукты попадают в естественные воды непосредственно или в результат выноса речными и ливневыми стоками и грунтовыми водами, а также из атмосферы, главным образом, в составе атмосферных осадков. Первый канал поступления приводит к локальным или региональным загрязнениям водной среды, а второй - к глобальным.
Одним из основных источников нефтяных загрязнении морской среды служит морской транспорт. По существующим данным, вследствие аварий судов (и в первую очередь танкеров) в моря и океаны поступает примерно 5 % всей попадающей туда нефти. Огромное количество нефти является результатом сброса с судов промывочных, балластных и локальных вод, а также потерь при погрузке и разгрузке танкеров. По этим причинам в морях и океанах ежегодно оказывается около 3 млн т нефти и нефтепродуктов.
Источником нефтяных загрязнений вод являются береговая промышленность и, в первую очередь, нефтеперерабатывающие заводы. Хотя сточные воды промышленных предприятий очищаются в различных очистных сооружениях, полной очистки сточных вод от нефти и нефтепродуктов достичь не удастся. Содержание нефтепродуктов, например, в сточных водах нефтеперерабатывающих заводов может достигать 1...8 г/л. К причинам загрязнения вод нефтепродуктами можно также отнести попадание нефтепродуктов в дренажные воды, смыв ливневыми стоками с территорий городов, различных промышленных предприятий и других сооружений. С ливневыми стоками и речными водами в моря и океаны поступает соответственно 5 и 28 % всех нефтяных загрязнений.
Большое количество нефтепродуктов попадает в водные бассейны из атмосферы. Например, двигатели внутреннего сгорания выбрасывают в воздух около 50 млн т различных углеводородов в год. Серьезным источником загрязнения атмосферы являются нефтеперегонные заводы, на которых десятки тысяч тонн углеводородов и других вредных веществ выделяются в воздух из резервуаров для хранения нефти и нефтепродуктов и с открытых поверхностей очистных сооружений. Валовые газовыделения с поверхности последних могут достигать 150...200 кг/ч. Хотя попавшие в атмосферу нефтяные углеводороды подвергаются интенсивному атмосферному окислению, в основном под воздействием солнечного излучения, все же большая их доля выпадает в водные бассейны с дождями и в меньшей степени - со снегом. Количество нефтепродуктов, поступающих с атмосферными осадками, составляет примерно 10 % общего количества нефтяных углеводородов, поступающих в моря и океаны.
Результаты многочисленных исследований распределения углеводородов в океанических водах показывают, что в наибольшей степени загрязнены воды прибрежных и шельфовых районов. По мере удаления от шельфа происходит снижение концентрации нефтепродуктов. Распределение углеводородов обусловлено сложной структурой вод и особенностями процесса их распространения в морской среде. В переносе и распространении нефтяных загрязнений огромная роль принадлежит океаническим циркуляциям. Именно они переносят нефтяные загрязнения в наиболее чистые районы Мирового океана, в том числе и в Северный Ледовитый океан. В сильной степени загрязнены также многие внутренние моря и водные бассейны.
Все это делает необходимым решение задачи борьбы с нефтяными загрязнениями, причем, в первую очередь, с загрязнениями прибрежных вод, эстуариев, территорий портов и внутренних водных бассейнов.
Огромные масштабы нефтяных загрязнений вод требуют всесторонней количественной оценки тех последствий, к которым они приводят, поскольку имеющиеся в настоящее время экспериментальные данные и теоретические проработки позволяют проводить такие оценки лишь на качественном уровне.
Нефтяные загрязнения оказывают сильное влияние на физико-химические процессы, происходящие в водном бассейне и на его поверхности. Поверхностное натяжение нефти и нефтепродуктов в 2-4 раза меньше поверхностного натяжения чистой воды. Теплопроводность и теплоемкость воды соответственно 0,599 Вт/(мК) и 4,187 кДж/(кгК), а нефти и нефтепродуктов 0,15 Вт/(мК) и 1,7...2,1 кДж/(кгК), Таким образом, пленки нефтяных загрязнений уменьшают теплопроводность и теплоемкость верхнего водного слоя.
Наличие нефтяных загрязнений сказывается на процессе испарения. На спокойной воде тонкий слой нефти уменьшает испарение в 1,5 раза. При скорости ветра до 6...8 м/с испарение уменьшается на 60 %, так как пленки служат как бы барьером для молекул воды и снижают аэродинамическую шероховатость поверхности вследствие подавления высокочастотной составляющей волнения. Экспериментально установлено, что при наличии нефтяной пленки за 1 ч с площади в одну квадратную милю поверхности океана испаряется 45 т воды, в то время как при отсутствии пленки - 97 т.
Замедление процесса испарения приводит к тому, что воздушные массы, движущиеся над океаном, слабее насыщаются водяным паром.
Наблюдения за нефтяными разливами на поверхности воды показали, что наличие пленки приводит к гашению капиллярных и мелких гравитационных волн, существующих на склонах основных ветровых волн. Поверхностные пленки растягиваются на взволнованной поверхности, при этом силы внутреннего трения между молекулами пленки совершают работу и поглощают часть энергии волн. Сглаживание высокочастотных волн на поверхности основных волн сильно уменьшает мощность, передаваемую ветром основным волнам. В результате последние затухают под воздействием внутреннего трения в самой воде. Сглаживание капиллярных и мелких гравитационных волн, поглощающих большую часть ветровой энергии, приводит к росту скорости ветра над океаном.
В естественных условиях через границу раздела атмосферы и океана непрерывно происходит обмен кислородом и углекислым газом. Поток кислорода через пограничный слой океана составляет 0,1...2 г/м2 в сутки, углекислого газа - 0,3..1,1 г/м2. Нефтяные загрязнения существенно нарушают обмен кислородом между атмосферой и океаном. Если чистая вода полностью насыщается кислородом примерно за 1 сут., то для полного насыщения кислородом воды, находящейся под пленкой нефтяного загрязнения толщиной 0,2 мкм, нужно около 2 сут., а при толщине пленки 1 мм - около 3,5 сут.
К значительному уменьшению концентрации растворенного кислорода приводит и процесс бактериальной деградации нефти, так как для окисления 1 л нефти бактериям необходим свободный кислород, содержащийся в 400 т воды. Следует также отметить, что одним из основных механизмов аэрации морских вод является обрушение волн. Следовательно, длительное загрязнение акватории нефтью может существенно изменить ее кислородный режим и по этой причине.
В результате уменьшения испарения, изменения теплоемкости и альбедо верхнего слоя океана меняется температура его поверхности. Это в свою очередь приводит к существенному изменению химического состава вод и нарушению газообмена через поверхность океана. Повышение температуры поверхности ведет к снижению растворимости углекислого газа СО2, находящегося в верхнем слое воды, и уменьшению растворимости атмосферного кислорода в воде. В результате часть СО2 переходит из океана в атмосферу, что вызывает замедление процесса фотосинтеза и изменение рН среды, на которое влияет нагрев поверхности. Изменение рН сказывается на жизнедеятельности морских организмов. Увеличение концентрации СО2 в атмосфере может привести к "парниковому эффекту". Вследствие образующейся при наличии загрязнений разности температур между атмосферой и океаном могут возникать циклоны.
Нефтяные загрязнения изменяют температуру водной поверхности: это в свою очередь вызывает изменение плотности вод - главного фактора, определяющего вертикальные перемещения водных масс. Некоторое изменение плотности под происходит за счет поступления в водные массы растворимых компонентов нефти и нефтепродуктов, а также за счет химического взаимодействия нефти с водой.
В мелководных бассейнах загрязненные слои могут опускаться на дно и образовывать придонные воды, содержащие значительное количество нефтепродуктов. Особенно вероятно образование таких загрязненных придонных слоев в период осеннего выхолаживания вод, когда усиливается вертикальная конвекция.
Таким образом, поверхностные нефтяные загрязнения, изменяя плотность поверхностных вод, способствуют перемещению вод в вертикальном направлении. Следовательно, нефтяные загрязнения являются тем техногенным фактором, который влияет на формирование и протекание гидрологических и гидрохимических процессов в морях, океанах и внутренних бассейнах.
Вредное влияние нефтяных загрязнений на живые организмы наиболее очевидно и поэтому хорошо изучено. Можно сформулировать следующие выводы о вредном воздействии нефтяных, загрязнений на биологическую среду моря:
прямое уничтожение морских организмов вследствие их обволакивания, удушения и контактного отравления, а также, от воздействия растворимых в воде токсичных компонентов, наблюдаемое на некотором удалении от места разлива нефти;
уничтожение развивающихся, еще неокрепших, организмов;
уничтожение продуктов питания морской фауны;
ослабление сопротивляемости морских организмов к различным инфекциям вследствие поглощении ими нефти и нефтепродуктов в несмертельных дозах;
уничтожение рыбных запасов моря;
введение канцерогенных веществ в морскую биологическую цепочку и пищевые ресурсы;
снижение жизнеспособности и жизнедеятельности различных морских организмов.
Необходимо также отметить, что нефтяные загрязнения оказывают влияние на живые организмы, обитающие как на поверхности воды и в ее толще, так и на дне. Действию нефтяных загрязнений подвержены бентос - живые организмы, обитающие на дне;
нектон - животные, активно плавающие в воде; планктон - мелкие организмы, парящие в воде, плейстон - плавающие в полупогруженном состоянии растения.
В марте 1978 г. вблизи французского города Бреста потерпел аварию американский супертанкер "Амоко Кадис". В результате катастрофы в море вылилось 230 тыс. т нефти. Нефть образовала пленку на площади 2000 км2. Было загрязнено до 400 км французского побережья.
В январе 1997 г. у берегов Японии потерпел аварию российский танкер "Находка", перевозивший топливо на Камчатку. Нефтяная пленка достигла одного из островов Японского архипелага.
Масштабы нефтяного загрязнения Мирового океана показаны на рис. 4.7. Особенно загрязнению нефтью подвержены относительно мелководные окраинные и внутренние моря, такие как Северное, Японское и др.
До 1984 г. в Мировом океане производилось также захоронение радиоактивных отходов, наиболее активно проводившееся в пределах Баренцева и Карского морей. В настоящее время международными соглашениями эта практика приостановлена, так как употреблявшиеся для этого контейнеры гарантировали надежность лишь в течение нескольких десятилетий. Тем не менее, опасность радиационного загрязнения океана не устранена в связи с авариями, происходящими на атомных подводных лодках, атомных ледоколах и надводных судах, несущих ядерное вооружение, а также ядерными взрывами, производимыми Францией на атолле Моруруа.
Рис. 4.7. Концентрация нефтяных агрегатов на поверхности
Мирового океана (Н.Ф. Реймерс, 1990)
Наиболее опасным из радиоактивных изотопов, поступающих в океан, является стронций-90, участвующий в биологическом цикле. Многие морские организмы концентрируют изотопы.
Раковины моллюсков, как и планктон, активно аккумулируют канцерогены.
Еще одним фактором загрязнения Мирового океана является поступление загрязняющих веществ из воздуха или с атмосферными осадками в виде кислотных дождей.
Очень важной характеристикой океанской гидросферы является динамика вод, способствующая глобальному загрязнению. С этой точки зрения в океанах нет национальных вод.
Как писал Тур Хейердал: " Государства могут делить между собой сушу, но океан, который всегда в движении, без которого невозможна жизнь, вечно будет всеобщим и неделимым богатством всего человечества".
Таким образом, загрязнение Мирового океана - это сумма антропогенных воздействий, изменяющих системы открытого моря и прибрежных вод, в том числе морского дна, причиняющих ущерб растительному и животному миру, а также человеку.
Мировой океан, в отличие от речных систем, не имеет самоочищающего оттока. Его загрязнение создает угрозу глобальному круговороту кислорода, так как количество кислорода, производимое фотосинтезирующими организмами в океане, невосполнимо никакими другими источниками.
Ежегодное продуцирование кислорода зелеными растениями Земли составляет 3109 т. Большая часть -3/4 этого количества - приходится на растения суши, 1/4 - на фотосинтезирующие организмы Мирового океана.
Действующие международные соглашения (программа региональных морей ЮНЕП, конвенции по сбросам загрязняющих веществ с судов и др.), ограничивающие и запрещающие сброс ядовитых и опасных веществ, содержат ряд исключений. Трудности контроля за исполнением запретов создают предпосылки того, что и в дальнейшем морские и океанские экосистемы будут подвергаться загрязнению во все более опасных размерах.
Проблема использования морских биологических ресурсов: соотношение естественной биологической продуктивности и вылова. Большую часть органического мира океана составляют фитопланктонные организмы (прикрепленные к дну водные растения занимают очень небольшую часть), которые в основном и являются первичной продукцией моря. На основе фитопланктона развиваются все другие морские организмы - бактерии, зоопланктон, рыбы, морские млекопитающие и др.
К биологическим ресурсам Мирового океана относится та часть океанской биомассы, которая используется человеком в расчете на самовосстановление в ходе естественных природных процессов. Эта часть биомассы является предметом морского промысла, к которому относят вылов различных видов рыбы, добычу морских млекопитающих (киты, моржи, тюлени), лов беспозвоночных животных (от кальмаров и осьминогов до криля), сбор водорослей.
Морской промысел теоретически должен находиться в полном соответствии с возможностями репродукции - воспроизведения особей. Но прогрессирующее загрязнение океана, прерывающее пищевые цепи, непосредственно сказывается на репродуцентных возможностях каждой популяции. Этому же способствует неконтролируемый вылов морских и океанских продуктов без учета особенностей их воспроизводства.
По оценочным данным, за последние 20 лет число живых особей в Мировом океане сократилось на 20-30 %.
Поверхностная гидросфера суши включает в качестве основных элементов реки, озера, болота, ледники и снежный покров.
Наиболее важным элементом являются реки - непрерывно действующие водотоки, собирающие атмосферные осадки и подземные воды с обширных территорий, называемых водосборными бассейнами. Для каждой реки в течение года характерно чередование паводков (половодий) и низкого уровня воды (межени). Количество воды во время половодий увеличивается в 5-20 раз и более по сравнению с меженью, а в особо многоводные годы - до 80-100 раз.
Время проявления половодья и его сроки зависят от питания рек. В реках с преимущественно снеговым питанием половодье приходится на весенний период, с дождевым питанием - на летний. Своеобразный режим наблюдается в реках смешанного питания (ледникового и дождевого), где время половодий растягивается до полугода и где максимумы приходятся на летние месяцы.
Важными характеристиками рек являются величины поверхностного руслового стока и расхода воды. Под русловым стоком понимают количество воды, переносимое речным потоком через его поперечное сечение за некоторый период времени, под расходом - количество воды, переносимое потоком через его поперечное сечение за единицу времени. Также выделяют и твердый сток реки - количество перемещаемых твердых и растворенных веществ, проносимых рекой через любое поперечное сечение за определенный промежуток времени.
Величина твердого стока крупных рек в некоторых случаях соизмерима с русловым стоком и измеряется десятками млн. т. в год. Разные реки приносят к своему устью неодинаковый материал. Реки, имеющие на всем своем протяжении горный характер и впадающие в море или озеро, могут приносить гальку разной величины.
Большие равнинные реки, даже если их истоки находятся в горах, перетирают на своем длинном пути по равнине всю гальку и доносят до устья только песок или даже ил в виде взвешенной мути. Участки низменной суши, образовавшиеся из речных отложений у береговой линии моря (или озера) в устьевой части рек, называют дельтами.
В табл. 4.4 приведены основные гидрологические характеристики рек России. К наиболее крупным речным системам относятся реки Лена, Енисей, Волга и Обь, среднемноголетний расход воды в которых колеблется от почти 8000 до 18 600 м3/с, а величина стока оценивается в 238-489 км3/год.
Воды рек являются главными источниками для питьевого и промышленного водоснабжения, орошения земель, получения гидроэлектроэнергии, местами вылова и разведения рыб.
Таблица 4.4
Основные гидрологические характеристики наиболее
крупных рек России
Озера - впадины рельефа, заполненные застойной или слабопроточной водой, не имеющие прямой связи с Мировым океаном. Они занимают свыше 2 % площади суши. Крупнейшими озерами являются Каспийское (море), Верхнее в Северной Америке, Виктория в Африке, Аральское в Азии.
Основные характеристики наиболее крупных озер России приведены в табл. 4.5.
Таблица 4.5
Наиболее крупные озера России
На поверхности Земли озера распространены неравномерно. Наибольшее их количество сосредоточено в областях плейстоценового оледенения (озера фенно-Скандинавского полуострова, севера США и Канады). Они могут находиться во всех природных зонах как на низменностях, так и в горах. К наиболее высокогорному из крупных озер относится озеро Титикака в Андах (3812 м над уровнем моря), а самое низкое - Мертвое море на Аравийском полуострове, поверхность которого располагается ниже уровня моря на отметке -395 м. Глубина озер измеряется десятками и сотнями метров. Самое глубокое озеро Байкал имеет глубину 1741 м.
Озерные впадины создаются природными (экзогенными и эндогенными) и техногенными причинами. Среди эндогенных озер выделяют группы вулканических, сейсмогенных и тектоногенных котловин. Вулканогенная группа включает кратерные, кальдерные, фумарольно-гейзеровые, лавово-плотинные и лахарово-плотинные типы. Например, крупнейшее на Кавказе озеро Севан относится к лавово- плотинному типу.
К сейсмогенной группе относятся обвально-плотинные озера, являющиеся следствием сильных землетрясений. Например, обвально-плотинное Сарезское озеро в горном Бадахшане на Памире, образование которого вызвано землетрясением 1911 г.
Широко распространены тектоногенные озера рифтового (грабенового) типа как, например, Байкал, Мертвое море, Восточно-Африканские озера.
Экзогенные озера включают также котловины, возникновение которых связано с провально-карстовыми, провально-суффозионными, флювиальными (русловыми, пойменными), дефляционными, гляциальными (экзарационными, термокарстовыми, гляциально-плотинными), биогенными и другими процессами. Площадь таких озер сравнительно невелика. Вода в них может исчезать,
К техногенным озерам относят водохранилища, создаваемые на наиболее крупных реках и осуществляющие многолетнее регулирование речного стока. Основные показатели наиболее крупных водохранилищ России приведены в табл. 4.5. Наиболее крупным из них является Братское водохранилище на Ангаре.
Таблица 4.5
Основные показатели наиболее крупных водохранилищ России
Болота - избыточно увлажненные участки суши, заросшие специфической растительностью. Болота на Земле покрывают площади около 2 млн. км2, встречаясь в областях с влажным гумидным климатом, в которых зеркало грунтовых вод занимает приповерхностное положение. По местоположению и условиям водного питания различают верховые, промежуточные, низинные и приморские болота. Верховые болота располагаются на водоразделах, речных террасах и склонах возвышенностей. Подпитываются они атмосферными водами. Болота промежуточного типа имеют двойное питание: атмосферное и подземными водами. Низинные болота располагаются в котловинах, часто на месте озер. Питание их осуществляется подземными и текучими водами. Приморские болота распространены на морских побережьях с влажным климатом. Питание их атмосферное. Во время приливов площадь таких болот может покрываться водой.
Болота играют важную роль в формировании гидрологического режима рек. Являясь стабильным источником питания рек, они регулируют половодья, растягивая их во времени, что способствует естественному самоочищению речных вод.
На территории России болота и заболоченные территории занимают свыше 10 % площади, аккумулируя огромные массы воды. Основные болотные массивы сосредоточены на северо-западе и севере европейской части, а также на севере Западной Сибири. Площади болот колеблются от нескольких гектаров до десятков квадратных километров.
Ледники образуются на поверхности Земли в областях с низкими среднегодовыми температурами в результате накопления значительных масс снега. Они развиты почти во всех высокогорных сооружениях, в Антарктиде и на многих полярных островах. На всех материках мира они занимают около 11 % поверхности суши. Общий объем заключенного в них льда составляет около 30 млн. км3.
Высотное положение их зависит от климата. Наиболее низкое положение они занимают в приполярных областях, опускаясь до уровня Мирового океана (Антарктида); наивысшее (до 5000-6000 м) - в горах приэкваториальной зоны.
В зависимости от климата, рельефа и соотношения областей питания и стока выделяют горные (долинные, переметные, каровые, висячие), материковые (покровные) ледники и ледники промежуточного типа, сочетающие элементы горных и покровных ледников.
Важнейшей особенностью ледников является способность их перемещаться в стороны от областей питания в результате вязкопластичного течения и под влиянием силы тяжести. Скорости движения различны и непостоянны по времени. Горные ледники Альп движутся со скоростью 0,1-0,4 м/сут, Памира и Гималаев - до 2-4 м/сут. В отдельных случаях наблюдается катастрофическое увеличение скорости, достигающее 50-150 м/сут.
Огромные площади (25 % всей суши земного шара) заняты почвенным льдом (многолетнемерзлыми горными породами) и относятся к криолитозоне.
На территории России основная масса ледников сосредоточена на арктических островах и в горных районах (табл. 4.6).
Таблица 4.6
Характеристика распределения ледников по территории России
Наибольшие площади горного оледенения характерны для Кавказа (свыше 1400 ледников), Камчатки, Алтая. На островах Арктики распространены ледниковые щиты и покровы. Вечной мерзлотой занято около 50 млн. км2, или 47 % площади.
Снежный покров - слой снега на поверхности Земли, образующийся вследствие снегопадов. Последние разделяются на обложные - выпадающие в течение длительного времени, ливневые - кратковременные значительной интенсивности, снежную морось - выпадение мельчайших снежинок или ледяных игл.
В снежном покрове кроме снега присутствуют механические примеси и иногда вода. Продолжительность существования снежного покрова зависит от климатических условий. Залегающий непрерывно более трех декад снеговой покров принято называть устойчивым, в отличие от временного, сохраняющегося меньшее время.
Характеристиками снежного покрова являются его высота, измеряемая в сантиметрах, и плотность. Плотность колеблется от 0,01-0,1 г/см3 для плотного, слежавшегося снега в горных районах.
Максимальная площадь снежного покрова приурочена к марту, когда снег покрывает около 19 % земной поверхности. Минимальная площадь, составляющая около 9 % всей территории, отмечается в августе.
Наибольшая средняя высота снежного покрова в европейской части России наблюдается на западных склонах Северного Урала (более 90 см), в азиатской части - на Западно-Сибирской низменности (110-120 см), на Камчатке, Сахалине и в низовьях р. Авгура.
Как и другие виды атмосферной влаги (пар, туман облаков, капли дождя), снежный покров является основным источником формирования и восполнения водных ресурсов, определяя водность рек, озер, болот, образование и режим ледников.
С каждым из рассмотренных выше элементов поверхности гидросферы связаны проявления неблагоприятных природных процессов, воздействующих на среду обитания организмов и человека. К основным из них относятся оврагообразование, смещение русел рек и эрозия берегов, перестройка речной сети, образование и рост дельт, лимноабразия, заболачивание озер, экзарация, сходы селей и лавин.
Оврагообразование. Оврагами называют крутостенные промоины, являющиеся руслами временных (непостоянных) водотоков и образовавшиеся в результате глубинной эрозии. Временные водотоки, производящие глубинную эрозию, возникают при активном снеготаянии и выпадении значительных количеств дождевых осадков.
Развитие оврагов начинается с образования на склоне эрозионных ложбин, среди которых различают в зависимости от глубины эрозионные борозды (до 0,5 м), рытвины (до 1-2 м), промоины (до 3-5 м). Эти зачаточные эрозионные формы, из которых развиваются овраги, собирают атмосферные осадки, питающие временный водоток. Эрозионная работа последнего приводит к углублению ложбины, увеличению ее длины вверх (попятная эрозия) и вниз по склону. Образованию борозд сильно способствуют водонепроницаемые глинистые породы, слагающие склоны, но особенно легко они возникают на распаханных склонах. Рост оврага вниз по склону идет до тех пор, пока его устье не достигнет базиса эрозии, а вверх по склону - пока его истоки не дойдут до водораздела.
По мере развития попятной эрозии - продвижения вершины растущего оврага в глубь водораздела - происходит ветвление его вершины. Ответвления, или отвержки, растут вверх по течению отдельных водяных струй. В результате возникает перисто - ветвящаяся система оврагов.
Крупнейшие овраги достигают нескольких километров в длину, десятков метров в глубину и ширину. Их форма зависит от состава горных пород, в которые они врезаются. Наиболее крутые и глубокие овраги образуются на склонах крупных речных долин в известняках и рыхлых четвертичных отложениях. Стенки активно растущих оврагов часто бывают обвальными, осыпными или оползневыми. Вначале они лишены растительности. В дальнейшем склоны оврагов покрываются плащом делювия, выпоолаживаются и зарастают, превращаясь в балки. Если все овраги местности полностью переходят в стадию балок, то получается спокойный, полого-волнистый балочный рельеф.
Скорость роста оврагов достаточно велика. Так, в бассейне Нижнего Дона она составляет 1-1,5 м/год, в предгорьях Северного Кавказа - до 2-3 м/год. Суммарная протяженность овражной сети в некоторых равнинных районах достигает 100-150 км на каждые 100 км2. Обильный снегопад зимой, быстрое таяние снега весной и сильные и частые ливни летом могут вызвать в отдельные годы чрезвычайно быстрый рост уже существующих оврагов и возникновение новых. В Фатежском районе Курской области при ливне 16 июля 1891 г. в один день образовался овраг в 17 м длиной, до 2 м шириной и 3,5 м глубиной [32].
Образование овражно-балочной сети в равнинных областях ведет к расчленению обширных водоразделов на увалы, приводит к заиливанию пойм и русел рек (в результате формирования в устьях овражных конусов выноса), способствует понижению уровня грунтовых вод. В условиях сухого климата возникает рельеф типа "дурных земель", когда из-за сближения смежных оврагов водоразделы приобретают гребневидный профиль и вся поверхность оказывается изрезанной бесчисленными оврагами. Название это впервые было дано канадскими охотниками некоторым местностям запада Северной Америки. Особенной известностью пользуются «дурные земли» (bad lands, mauvaises terres) у восточного подножия Скалистых гор в штатах Южная Дакота и Небраска, где эти образования приурочены к области развития олигоценовых отложений - так называемой свите Белой Реки (White River group).
Овраги уменьшают площади сельскохозяйственных земель. Нередко растущие верхушкой овраги врезаются в селения и вызывают разрушение построек. Еще чаще овраги пересекают и разрушают дороги. В местностях, сильно изрытых оврагами, сток талых снеговых и дождевых вод происходит значительно быстрее, чем с ровных мест. Воды в малом количестве впитываются в грунт и мало пополняют запасы грунтовых вод. Вместе с тем половодья рек в овражных местностях характеризуются большей высотой, протекают очень бурно, но непродолжительно. С узких водоразделов между оврагами снег зимой легко сдувается в овраги, которые заполняются им часто до самых краев. В силу этого снежный покров на водоразделах по соседству с оврагами бывает тонок, что при суровых зимах влечет вымерзание озимых посевов.
Формированию оврагов способствует вырубка лесов на склонах, распашка склонов, выпас скота, проведение дорог по склонам речных долин и балок. Интенсивный рост оврагов ведет к уничтожению почвенного слоя и пахотных земель, затрудняет механизацию сельскохозяйственных работ, разрушает дороги и здания в населенных пунктах.
Мероприятия по борьбе с оврагообразованием направлены на предотвращение попятной эрозии и ослабление силы руслового потока. С этой целью проводят лесонасаждения в верховьях оврагов и на их склонах, создают инженерные сооружения на их дне в виде плетней, деревянных, каменных и бетонных запруд. Дно оврага под запрудами укрепляется водобойными сооружениями из камня, деревьев и прутьев, выстилается хворостом, что способствует заиливанию оврага.
Пренебрежение инженерными и биоинженерными способами защиты от оврагообразования приводит к негативным последствиям спустя многие годы. Когда-то на юго-западе столицы с его огромными оврагами и ложбинами проводились лыжные соревнования. Затем, в связи со строительством, все овраги просто засыпали. То же самое произошло и в Теплом стане, и на многих других территориях. Один из корпусов старого здания МГУ был построен на месте засыпанного Успенского оврага, по дну которого протекал ручей. Грунтовые воды в течение многих лет выносили мелкие частицы из грунта, разрыхляли его, что явилось причиной оседания здания университета и его деформации.
Смещение русел рек и эрозия берегов. Смещение русел рек, приводящее к изменению конфигурации речных долин, является следствием весьма сложных гидродинамических и геологических процессов, происходящих в речной системе. Они определяются турбулентным, в меньшей степени ламинарным движением воды в речных потоках, соотношениями глубинной и боковой эрозии, переносом и аккумуляцией обломочного материала, степенью выработанности продольного и поперечного профилей, положением базиса эрозии.
Механизм смещения русла достаточно сложен. В одних случаях быстрые смещения русла обязаны меандрированию. В вершине каждой излучины русло постоянно смещается в сторону вогнутого берега, размываемого в результате боковой эрозии. Определенную роль играют и силы Кориолиса, отклоняющие движущийся водяной поток от первоначального направления вправо (в Северном полушарии) или влево (в Южном). Наибольшие боковые перемещения русла наблюдаются у крупных равнинных рек, текущих в меридиональном направлении. На перемещения русла оказывают влияние также направления преобладающих ветров, особенности геологического строения берегов, современные движения земной коры - активное поднятие одного берега по отношению к другому.
Другой механизм смещения русла связан с фуркацией - дроблением русла на рукава. Многорукавность характерна для горных рек, где она связана с пульсационным движением воды или с наличием перемычек. Она также возникает при выходе горной реки в предгорья. Широко развита фуркация и в дельтах крупных рек.
Каждая излучина реки своей вершиной вызывает подмыв коренного склона долины, особенно сильный в период половодья. Подмыв нижних частей склона вызывает оползание или обрушение часто очень значительных масс верхних частей берегового обрыва.
Смещение русел рек и интенсивная боковая эрозия берегов приводят к разрушению береговых построек, уничтожению сельскохозяйственных угодий, расположенных на поймах и речных террасах, загрязнению речных вод органическими гумусовыми кислотами и другими соединениями. Известны многочисленные случаи, когда городам и другим населенным пунктам приходится отступать под разрушительным напором рек. Так, с. Демьянское, расположенное на правом возвышенном берегу нижнего Иртыша при впадении в него р. Демьянки, со времени своего основания (1673) переносилось три раза только до 1907 г. В настоящее время то место, которое село занимало первоначально, находится уже на левом, низменном берегу отступившей к востоку реки. Иногда меандрирующая или дробящаяся на рукава река внезапно изменяет направление своего течения, оставляя селение далеко в стороне. Город Виксберг, расположенный некогда в одной из излучин Миссисипи, оказался стоящим на старице вследствие блуждания русла реки [31].
С целью предохранения берегов от боковой эрозии или ослабления этого процесса рекомендуется осуществлять пойменные лесонасаждения, проводить инженерную защиту и укреплять берега. В ряде случаев проводится канализирование рек - выпрямление и бетонирование русла, а также заключение рек в трубы. Канализирование рек приводит к очевидным отрицательным последствиям: усилению паводков в результате быстрого отекания масс дождевой воды в реки, нарушению режима грунтовых вод, вымиранию живых организмов.
Речные перехваты и перестройка речной сети. При энергично протекающей глубинной эрозии река также удлиняет свое русло путем регрессивной (распространяющейся против течения) эрозии. Она врезается вершиной все дальше и выше - в водораздельное пространство – и может таким путем достигнуть долины какой-нибудь соседней реки. Если русло соседней реки находится на более высоком гипсометрическом уровне, то ее воды, стремясь течь в направлении наибольшего уклона, покинут свое прежнее русло и направятся в реку, текущую на более низком уровне. Это явление известно под названием речного перехвата.
Перехваченная таким образом, или «обезглавленная» (т.е. лишившаяся своего верхнего течения и его водосборного бассейна), река оставит ниже места перехвата «мертвую» долину, совершенно лишенную водотока. Реки, более активные, углубляющие свою долину, путем перехвата увеличивают свою длину и водоносность и расширяют площадь своего бассейна за счет менее энергичных соседей.
Речные перехваты очень характерны для тектонически активных горных областей, в частности, широко развиты на Восточной Камчатке. Перехваты могут происходить и во время паводка или половодья, когда вздувшаяся река-перехватчица проявляет особенно энергичную регрессивную эрозию или когда сильно повысившая свой уровень перехватываемая река начинает переливать свои воды через пониженное место водораздела в глубже врезанную соседнюю долину, пропиливая водораздельную перемычку. Если водораздельная перемычка сложена рыхлыми породами, то ее прорыв может произойти очень быстро, вызывая иногда катастрофические последствия на реке-перехватчице. Известны случаи возвращения реки в прежнее русло, после ее перехвата по прошествии некоторого времени. Так, р. Махажамба (Мадагаскар) в 1903 г. во время сильного половодья «прорвалась» в долину р. Ецибока. В половодье 1935 г. Махажамба на короткое время вернулась в свое прежнее русло [32].
Образование и рост дельт может происходить различными путями в зависимости от характера побережья и от места впадения реки. Если река впадает в глубоко вдающиеся в сушу бухту или залив, то рост дельты может быть незначительным. Запирающая бухту коса отделяет устье реки от открытого моря. Сток речных вод в море в этих условиях незначителен и речные осадки не выносятся за пределы спокойных вод лагуны или выносятся в ограниченном количестве приливно-отливным течением. Осадки заполняют саму лагуну, в результате чего она постепенно превращается в сушу. Пока вся лагуна не превратится в сушу, река не может выдвинуть свою дельту за пределы образованной морем косы. Хорошим примером может служить дельта р. Кубань, которая образовалась на месте глубоко вдававшегося в сушу (до г. Краснодара) залива Азовского моря. В этой же стадии развития находятся дельты многих рек, впадающих в Балтийское море (Одер, Висла, Неман) [33].
На скорость развития дельт влияет много факторов: количество приносимых рекой твердых наносов, глубина бассейна, в который впадает река и др. О скорости роста отдельных дельт можно судить на основании непосредственных наблюдений и при сравнении повторных топографических съемок, разделенных промежутками времени в несколько десятков лет. Так, по данным Л.С. Берга, с 1847 по 1900 г. (за 53 года) р. Сырдарья «выдвинула» свою дельту на 5,1 км, т.е. прирост достигал 97 м/год; площадь дельты за этот промежуток времени увеличилась почти на 36 км2.
Впадающие в озера реки, строя в них дельты, могут сильно сокращать их прежние размеры. Выдвигая дельту, река также может совершенно перегородить озеро и даже разделить его на два отдельных водоема. Нередки случаи причленения к материку островов, расположенных вблизи берега, за счет роста речных дельт. Так, среди аллювиальной равнины дельты р. Амударьи поднимаются небольшие возвышенности - бывшие острова Крантау, Порлытау и Кубетау Аральского моря.
Благодаря росту дельт многие населенные пункты, некогда основанные на берегу моря и служившие портами, ныне отделены от моря широкими полосами суши. Город Адрия, бывший гаванью на берегу Венецианского залива во времена первых римских императоров, в настоящее время отстоит от моря на 35 км. Древний приморский город Равенна сейчас отделен от Моря полосой суши более 7 км.
Лимноабразия (озерная абразия) наблюдается в озерах. Она связана с движениями воды и в первую очередь с ветровыми волнами, высота которых на больших озерах может достигать 5 м. Особенно интенсивно лимноабразия проявляется в начальный период существования озер плотинного типа, в том число в водохранилищах. Чем обширнее поверхность водоема, чем меньше встречает препятствий ветер, тем сильнее может быть волнение. В период заполнения озер размываются и раздвигаются берега, размывается плотина вплоть до ее полного разрушения, что приводит к уничтожению озера. Так, на Дону, берега Цимлянского водохранилища были срезаны волнами за 5 лет в среднем на 50 м, а на отдельных участках - до 100-120 м.
Лимноабразию на водохранилищах усиливает и интенсивное судоходство. Разрушение берегов предотвращает прибрежная растительность.
Кроме того, в больших озерных бассейнах возможны и береговые течения, аналогичные морским. Поэтому на берегах крупных водоемов можно наблюдать почти все формы береговых образований, которые встречаются и на берегах морей.
Заболачивание озер. Мелководные озера с относительно спокойным гидродинамическим режимом постепенно начинают заболачиваться. Отмели на берегах обычно зарастают водорослями. Непосредственно у берегов растут осока, тростники, камыши, лилии. Отмирая осенью, они формируют на дне войлокообразнуто массу. Размножение (цветение) в конце лета планктонных водорослей (сине-зеленых, диатомовых и др.) приводит к тому, что они тонким слоем покрывают значительные площади, а иногда и всю поверхность. Отмирая, планктон опускается на дно и, смешиваясь с глинистыми частицами, образует на дне слои органического ила.
Далее происходит зарастание мелеющего озера болотной водной растительностью с одновременным накоплением на дне растительных остатков (торфа). Торф способствует дальнейшему обмелению озера и соответственно продвижению зон зарастания к центру озера. Когда эти зоны смыкаются, озеро превращается в болото.
Экзарация, или разрушительное воздействие ледников на породы подледного ложа, проявляется в областях современного оледенения, особенно в горных районах. С деятельностью ледников - их возникновением и движением - связано образование каров, ледниковых цирков и ледниковых долин - трогов. Кары представляют собой креслообразные углубления с крутыми, местами отвесными стенками и пологим вогнутым дном. При разрастании и слиянии каров они преобразуются в ледниковые цирки - крупные впадины циркообразной или направленно вытянутой формы, ограниченные полукругом высоких и скалистых хребтов с крутыми стенами, образующих как бы амфитеатр. Из ледниковых цирков происходит сток льда в виде языка (рис. 4.8). Поперечный разрез некоторых цирков Северного Кавказа достигает 8 км (урочище Чебаклы-Кель в бассейне р. Большой Зеленчук). Внутри главный цирк делится на ряд меньших цирков диаметром 1,5-2 км, а в каждом из этих меньших цирков находится система каров, расположенных в три яруса; большинство из них занято небольшими озерами, в которых водится форель.
Рис. 4.8. Продольный разрез бассейна долинного ледника
(М.С. Щукин. 1960):
F-F- фирновая линия; mf - конечная морена; S - зандр у конца ледника; т.1. - боковая морена
Вся система образует гигантскую лестницу из каров, расположенных в пять ярусов.
Цирки являются наиболее характерной формой высокогорного рельефа. Во всех горных странах, имеющих ледники в настоящее время или подвергавшихся интенсивному длительному плейстоценовому оледенению (Альпы, Кавказ, Гималаи), можно наблюдать своеобразную картину: цирки ряда долин располагаются вплотную друг к другу вокруг какого-либо очень высокого горного массива, как бы разъедая его с разных сторон.
Троги имеют широкое полого-выгнутое дно и крутые склоны, вытачиваемые движущимся льдом. Продольный профиль трогов отличается изменчивыми уклонами. Местами резкие ступени ригели чередуются с пологими участками ледниковых долин.
Ледники не остаются неизменными: они временами то удлиняются и спускаются вниз по долине, то постепенно вновь сокращаются, освобождая часть ранее занятой ими территории. Известны случаи, когда сильно продвинувшиеся языки ледников создавали угрозу путям сообщения, каким-либо сооружениям или жилищам. Так, имеются сведения, что ледник Чаилдс в долине Медной реки (Аляска) продвинулся в 1909-1910 гг. на расстояние в полкилометра к большому железнодорожному мосту через названную реку [33].
Лавины - снежные обвалы или массы снега, пришедшие в движение. Лавины характерны для горных областей со значительным по мощности снежным покровом. Скорость движения лавин в среднем составляет 20-30 см/с или 72-108 км/ч. Лавины перемещают огромные массы снега, объем которого доходит до 0,5-1 млн м3 (при плотности 0,5 г/см3).
Предпосылкам и возникновения лавин являются уклон склонов, превышающий 15°, и мощность снежного покрова более 40-50 см.
Среди лавин выделяют: 1) снежные оползни - "осовы";
2) лотковые лавины, движущиеся по эрозионным бороздам;
3) прыгающие лавины, перемещающиеся "скачками" по уступам или свободно падающие.
Сход лавин происходит в результате различных причин. Одной из причин является перегрузка снегом склонов в результате обильных снегопадов или малое сцепление между новым и старым слоями снега. Подобные лавины обычно называют сухими. Другой причиной является возникновение между подошвой снежного покрова и подстилающей поверхностью склона водной смазки, образующейся во время оттепелей или дождей (мокрые лавины).
Сход лавин вызывает и формирование в нижних частях снежной толщи горизонта разрыхления кристаллов глубинной изморози, не связанных друг с другом. Появление горизонта разрыхления связано с более высокой температурой в нижних горизонтах снега, откуда водяной пар мигрирует в более высокие и холодные горизонты. Это влечет за собой испарение снега в теплом горизонте и превращение его в горизонт скольжения (рис. 4.9).
Снежные лапины обладают огромной разрушительной силой (сила удара составляет 60-100 т на 1 м2), возрастающей из-за воздушной волны, перемещающейся перед фронтом движущейся лавины. Вынося большое количество скальных обломков, лавины углубляют эрозионные ложбины, создают крупные насыпи.
Рис. 4.9. формирование горизонта разрыхления
Лавины наносят большой ущерб хозяйству, приводят к значительным человеческим жертвам среди населения горных районов. Лавинной опасности способствует вырубка лесов и выемка грунта на горных склонах.
Средствами борьбы с лавинами являются обстрелы и взрывы снежного покрова в местах их массового скопления, облесение склонов, возведение на них защитных сооружений (террас, подпорных стенок), отвод лавин направляющими дамбами, сооружение лавинорезов.
На территории России к лавиноопасным относятся районы Северного Кавказа, Кольского полуострова, Северного и Полярного Урала, Горного Алтая, Саян, Северо-Востока России, Камчатки. На Кавказе известен своими обвалами Девдаракский ледник - один из ледников Казбекского массива. Лавины этого ледника во второй половине прошлого столетия не раз засыпали долину р. Терека и разрушали Военно-Грузинскую дорогу, прекращая по ней сообщение. Причиной обвалов, по мнению специалистов, были сейсмические явления.
Известны своими разрушительными последствиями лавины и обвалы ледников с вершины Гимарай-Хох в ущелье р. Геналдона (Кавказ, Северная Осетия), случившиеся 3 и 6 июня 1902 г. Пронесшаяся тогда по ущелью Геналдона ледяная лавина разрушила до основания небольшой осетинский курорт Тменикау. Катастрофа унесла жизни 32 человек, погибло 150 голов рогатого скота, 79 лошадей и 1500 овец [30].
На одной из лавиноопасных дорог России, пересекающей Восточно-Сахалинские горы через Чамгинский перевал, за период 1980-1992 гг. были зарегистрированы 20 случаев попадания ожидающего транспорта в лавину, 10 - «захвата» лавиной движущейся техники (из них - 5 бульдозеров, расчищавших дорогу). За указанный период были также зарегистрированы 10 случаев попадания людей в лавину (3 человека погибли, 4 получили тяжелые травмы). Исследователи отмечают, что работа снегоочистительной техники инициирует в этом районе частый сход осовов объемом 50-300 м3 с невысоких (10-20 м) склонов (Н.А. Казаков, 2000).
Приэльбрусье - один из наиболее лавиноопасных районов России. Гигантские (более 300 тыс. м3) лавины оставляют неизгладимый след в местном ландшафте. Лавины уничтожили большие массивы (почти 90 га) взрослого соснового леса в возрасте от 30 до 200 лет.
Вблизи древних поселений на Северном Кавказе археологи находят огромные каменные сооружения -лавинорезы. У выходов с гор небольших речушек, протекающих через Верхне-Архызское городище (верховья Кубани, истоки р. Большой Зеленчук), трудолюбивые горцы соорудили массивные стены, протяженностью до 50 м (теперь уже основательно оплывшие). Стены пересекаются под острым углом. острие которого направлено вверх по долине реки - навстречу лавинам. Эти огромные «валы-стрелы» сооружались не только для защиты от лавин, но и от селей, которые, судя по раскопкам, часто тревожили местных жителей.
Сели (иранское название) представляют собой катастрофические бурные грязекаменные потоки, низвергающиеся с гор и состоящие из воды, глины, песка, гальки, щебня и каменных глыб. Их образованию способствует наличие в горах, не закрепленных растительностью, мощных осыпей на склонах. Во время сильных ливней, бурного таяния снега и льда эти осыпи настолько пересыщаются водой, что спускаются со склонов и движутся по эрозионным ложбинам полужидкой грязево-каменной массой. Количество переносимого селевым потоком твердого материала может в некоторых случаях достигать 75 % общей массы потока. Благодаря большой плотности (по сравнению с чистой водой) разрушительная сила таких потоков бывает громадна: иногда они выносят каменные глыбы объемом в несколько кубических метров, разрушают мосты, заносят селения, дороги, посевы, нередко захватывают и губят в ущельях людей, пасущийся скот. В странах, где земледелие ведется с применением искусственного орошения, например в Средней Азии, селевые потоки нередко полностью разрушают всю оросительную систему, перегораживая оросительные каналы («арыки»), оставляя без воды одни селения, вызывая наводнения в других.
В отличие от обычных паводков селевый поток движется порывами, валами, возникающими вследствие образования каменных заторов в местах сужения русла или на его поворотах. Прорвав затор, поток устремляется к следующему со скоростью до 15 км/ч. Вынося огромные массы каменного материала, сели производят значительные разрушения. Так, в 1921 г. селевый поток разрушил часть г. Алма-Аты, в 1946 г. - г. Ереван. Значительных размеров достигают они на северном склоне Кавказского хребта.
На территории о. Сахалин селевые потоки отличаются большой внезапностью. Скорость их достаточно высока и может достигать 9-11 м/с, что обусловлено малой вязкостью селей (из-за сравнительно малого количества глинистых частиц в суспензии), большими уклонами склонов (от 20 до 35°) и малой длиной селевых русел (в среднем 200-1000 м). Частота образования селей на большей части острова невелика: межселевой интервал превышает 10 лет.
Однако довольно часто сели образуются в природных селевых комплексах, приуроченных к уступам морских аккумулятивных и абразионно-денудационных террас. Сели здесь формируются один раз в 1-3 года; каждые 3-5 лет отмечаются периоды массового селеоброзования продолжительностью от 1 до 3-5 сут. Например, 5-6 августа 1981 г. только в населенных зонах южной части Сахалина было зарегистрировано более 500 селевых потоков, которые разрушили несколько тысяч метров дорожного полотна, линий связи и электропередач, повредили несколько десятков жилых домов. В сентябре 1992 г. массовые сели на участке п. Туманово - п. Восточный прервали автомобильное и железнодорожное сообщение между центральной и южной частями острова (Н. А. Казаков, И. Г. Минервин, 2000).
Осенью 2000 г. на трассе Нальчик-Чегет (Кабардино-Балкария, Северный Кавказ) было прервано автомобильное движение из-за схода огромного селя. Селевой поток объемом 4,5 м3 достиг русла реки Баксан. Вода в реке поднялась на 2 м, кое-где - на 12 м и затопила г. Тырныауз. По мнению экспертов, селевой поток такого объема не сходил еще нигде в мире.
Важнейшими мерами борьбы с селями являются, во-первых, закрепление растительностью зон мощного накопления щебенчатых осыпей, располагающихся выше зоны альпийских лугов, во-вторых, ослабление силы потока селей сооружением поперечных к направлению потока дамб, путем расширения русел, созданием озеровидных приемников-накопителей грязекаменного материала.
Антропогенное воздействие на поверхностные водоемы и водотоки определяется потребностями человека в питьевой и технической воде, отражающимися в структуре водопотребления.
На примере России можно видеть, что основными потребителями поверхностных вод являются промышленность, покрытие потребностей которой за счет природных поверхностных водоисточников составляет около 35 % общего водопотребления; сельское хозяйство, включающее орошение засушливых земель, и теплоэнергетика, доля которых составляет соответственно 26 и 24 %. Далее идут коммунальное хозяйство - 4 % и рыболовство - 1 % (табл. 4.7).
Таблица 4.7
Структура использования воды и водообеспечения в РФ
(из кн. "Знакомьтесь, вода России", РосНИИВХ, 1993)
При этом необходимо отметить, что поверхностные воды используются значительно больше, чем воды из подземных источников, на которые приходится всего около 10 % общего водопотребления.
Растущие потребности в питьевой и технической воде порождают ряд экологических проблем, основными из которых являются:
1) истощение запасов и понижение уровня воды в поверхностных водоемах;
2) изменение качества воды в связи с загрязнениями промышленными и сельскохозяйственными стоками, нефтепродуктами, тяжелыми металлами;
3) термическое загрязнение и радиационное заражение водоемов;
4) изменение режима рек, форм проявления и масштабов эрозионно-аккумулятивной деятельности;
5) появление наведенных очагов землетрясений в пределах асейсмичных территорий;
6) истощение биологической продуктивности водоемов.
Истощение запасов поверхностных вод и, как следствие, понижение уровня воды (обмеление водоемов) определяется двумя факторами. К первому относятся ежегодные безвозвратные потери при хозяйственном использовании. Эти потери, в зависимости от качества и количества систем оборотно-повторного использования, составляют от 10 до 25 % ежегодного технологического расхода воды.
Вторым фактором, существенно влияющим на истощение запасов, являются водохранилища, особенно каскады водохранилищ, создаваемые для решения различных хозяйственных задач: гарантированного водообеспечения населения, использования гидропотенциала рек, снижения опасности наводнений и подтопления территорий, улучшения условий для судоходства, рыболовства, лесосплава, создания рекреационных зон. Помимо крупных сооружается и большое число малых водохранилищ, имеющих массовое распространение в аридной зоне.
Водохранилища являются объектами безвозвратных потерь поверхностного стока за счет испарения воды с поверхности. Их влияние на общее обмеление многих поверхностных водоемов становится все большим в связи с наблюдающейся тенденцией к общему потеплению климата. Так, безвозвратные потери речного стока Амударьи и Сырдарьи, используемого на орошение окружающих земель, стимулировали Аральскую экологическую катастрофу. Строительство в верховье р. Или в конце 60-х гг. Капчагайского водохранилища недалеко от г. Алма-Аты вызвало резкое обмеление озера Балхаш и привело к почти полной утрате его хозяйственного значения. В настоящее время наблюдается отчетливая тенденция к общему снижению уровня воды в системе Верхневолжского каскада водохранилищ: Иваньковском, Угличском, Рыбинском - в связи с сокращением годового количества атмосферных осадков и потеплением климата.
Изменение качества воды связано с загрязнениями промышленными и сельскохозяйственными стоками, нефтепродуктами. Основными загрязнителями поверхностных водоисточников являются сточные воды промышленных предприятий, сельского и коммунального хозяйства. Значительный вклад в загрязнения вносят аварии на нефте- и газопроводах.
Объемы промышленного водоиспользования зависят от структуры промышленных предприятий и уровня применяемых технологий. Наиболее водоемкими являются теплоэнергетика, черная и цветная металлургия, машиностроение, нефтехимическая и деревообрабатывающая промышленность. Особенности сельскохозяйственного водоснабжения - массовость потребителей и малые объемы потребления. В коммунальном хозяйстве большая часть (88 %) потребляемой воды используется для нужд населения городов, имеющих централизованные системы водоснабжения.
Несмотря на обширную сеть очистных сооружений, только около 70 % (на территории России) очищается до нормативных требований. Остальные стоки сбрасываются неочищенными или недостаточно очищенными. С ними в природные водоисточники поступают огромные количества органических веществ, твердых взвешенных частиц, нефтепродуктов, тяжелых металлов, сульфатов, хлоридов, соединений фосфора, азота, нитратов.
Применительно к России общий объем ежегодных загрязнений, поступающих в водоемы, достигает 50 млн. т. различных веществ. Из них на долю сельскохозяйственных предприятий приходится 55 %, коммунальной сферы - 37 %, промышленности - около 8 % .
В нашей стране с 1972 г. ведутся систематические наблюдения за качеством поверхностных вод (в 1990 г. контролировалось 2258 водных объектов). Многие объекты имеют высокую степень загрязнения - 10, некоторые до 6,50 ПДК по соединениям металлов, нефтепродуктам, фенолам и другим органическим, азотным, серным и прочим веществам.
Для непроточных водоемов особо неблагоприятно воздействие Р, которое в месте скопления озер (только крупных) приблизилось к 70 (Северная Америка, Западная Европа, Южная Африка, Япония и др.) [27]. Если в прежние геологические периоды этот процесс длился тысячи - миллионы лет, то в наше время - десятилетия и менее, в зависимости от антропогенного поступления биогенных веществ,
В США и Канаде работы по спасению эвтрофных озер начались в 70-х гг. - только на очистку вод бассейна Великих озер было затрачено 6,6 млрд. долл. В 80-х годах угроза была устранена.
Помимо медико-санитарных последствий изменение качества воды активизирует различные геологические процессы (химическое выветривание, карстообразование и др.), негативно влияет на биологическую продуктивность водоемов.
Термическое загрязнение водоемов связано с работой тепловых и атомных электростанций. Основной объем используемой воды (до 90-95 %) предназначается на отведение тепла от конденсаторов турбин. При этом доля безвозвратного потребления составляет 4-5 %.
Существуют различные системы охлаждения технологической воды. Широкое развитие, в частности, получили специальные водохранилища - охладители при электростанциях. Нагретые сточные воды ТЭС и АЭС (охлаждающая вода), поступая в водоемы, приводят к их "тепловому загрязнению", способствующему массовому размножению фитопланктона - "цветению воды".
Поверхностные водоемы используются также для создания хранилищ вредных, в том числе радиоактивных, отходов (хвостохранилища на горнодобывающих и обогатительных предприятиях). Широко известен пример предприятия "Маяк" (Челябинск-40), в течение длительного времени использующего в качестве накопителя радиоактивных отходов озеро Кыштым. Переполнение водоемов-хранилищ отходов и природные катастрофы с ними приводят (могут приводить) к необратимому геохимическому загрязнению и радиационному заражению местности.
Обмеление водоемов в результате хозяйственной деятельности, создание на реках искусственных водохранилищ, использование рек, озер и водохранилищ в качестве транспортных магистралей с применением крупнотоннажных речных судов приводит к изменению гидродинамического режима, форм и масштабов проявления геологических процессов; глубинной и боковой эрозии, руслового и пойменного осадконакопления, аккумуляции аллювия в устьях речных систем. Все это, в свою очередь, меняет условия воспроизводства биологических ресурсов, рыболовства и судоходства. В последнем случае приходится проводить работы, направленные на выправление судоходной обстановки: землечерпание, канализирование рек, регулирование стока гидротехническими сооружениями, инженерную защиту берегов.
Возбужденная сейсмическая активность в районах возведения водохранилищ. "Возбужденной" или "наведенной" называют сейсмичность, вызванную деятельностью человека.
В настоящее время накопилось достаточное количество статистических данных, свидетельствующих о связи возбужденной сейсмичности с периодами заполнения водохранилищ. К началу 70-х гг. в мире было известно 35 случаев усиления сейсмической активности при создании водохранилищ.
Часть геологической среды, располагающаяся под акваторией будущего водохранилища, находится в естественном напряженном состоянии, обусловленном силами, воздействующими на определенный объем породы (гравитационных, тектонических и др.). В толще пород возникают напряжения - внутренние силы сопротивления, уравновешивающие внешние нагрузки и отнесенные к единице площади. Выделяют общее напряжение (Р), нормальное (σ), располагающееся перпендикулярно к выбранной площадке (рис. 4.10), и касательное (τ), ориентированное вдоль нее. Ориентированные в пространстве максимальные нормальные и касательные напряжения создают поле напряжения.
Причиной наведенных землетрясений могут являться резкие изменения естественного напряженного состояния и поля напряжения, вызванные давлением огромною столба воды заполняющегося водохранилища. Это приводит к кратковременным смещениям по разрывам, существующим на глубине, и определяет распространение упругих сейсмических волн, достигающих поверхности и вызывающих ее сотрясение.
Возбужденная сейсмическая активность - мелкофокусная и проявляется не только в сейсмически активных молодых горно-складчатых поясах, но и на древних стабильных (асейсмичных) платформах. Землетрясения концентрируются вдоль ранее существовавших разломов. Причем эпицентры располагаются на расстоянии 10-15 км от водохранилища, очаги - на глубине 6-8 км. Активность усиливается особенно явно после подъема уровня воды более чем на 100 м. Частота вызванных толчков в большинстве случаев связана не столько с высотой уровня воды, сколько со скоростью и величиной перепада уровня воды в водохранилище. При одном и том же давлении столба воды вероятность толчков тем больше, чем большую площадь занимает водохранилище. Периоды усиления и ослабления сейсмичности могут продолжаться по несколько лет (рис. 4.11).
В 1935 г. в США на р. Колорадо была сооружена плотина Гувер и началось заполнение водохранилища Мид. Год спустя после начала заполнения начались сейсмические толчки. Количество слабых землетрясений в 1937-1947 гг. измерялось тысячами. К 1939 г. водохранилище заполнилось. В мае того же года область была потрясена сильным толчком, выделившим столько энергии, сколько все предыдущие землетрясения, вместе взятые.
Рис. 4.11 Схема напряжений (заштрихована) и расположение нормальных и касательных максимальных напряжений при одноосном растяжении:
F – сила; напряжение: Р - общее, σ - нормальное, τ - касательное
На полуострове Индостан в сейсмической платформе на р. Койна в 1961 г. началось заполнение водохранилища объемом около 3 трлн м3. В 1967 г. произошло 8-9-балльное землетрясение, унесшее 180 человеческих жизней. 2000 человек получили ранения. Эпицентр землетрясения располагался в 3-5 км от плотины. Радиус области, ощутившей землетрясение, составил 700 км. Водохранилище имело размеры 50 км в длину и до 5 км в ширину.
К моменту интенсивного заполнения Нурекского водохранилища на р. Вахш в Таджикистане (1972) было зарегистрировано в конце 1972 г. 133 землетрясения. При этом землетрясения группировались под водохранилищем вблизи плотины, а по мере его быстрого наполнения несколько смещались, так как перемещался центр нагрузки столба воды. Второй этап интенсивного заполнения начался в июле - августе 1976 г. И снова возросло число толчков.
Рис. 4.12. Соотношение изменений уровня воды в водохранилище Вайонт (Италия) и числа возбужденных местных землетрясений (по П. Калои)
Заполнение не каждого водохранилища вызывает землетрясение. Однако именно эта неоднозначность заставляет ожидать и не исключать возможности сейсмических последствий.
Истощение биологической продуктивности водоемов. Около 30 % улова в водоемах приходится на долю пресноводных рыб группы туводных, проходных и полупроходных (табл. 4.8). Из основных природных факторов, определяющих степень рыбопродуктивности, главная роль принадлежит речному стоку, так как от него зависит водный, солевой и гидробиологический режим рек, озер, водохранилищ, а также размножение ценных видов проходных и полупроходных рыб.
Интенсивное антропогенное воздействие на гидрологический режим и качество воды (регулирование стока водохранилищами, снижение стока, загрязнение водоемов) уменьшает продуктивность водоемов суши и приводит к сокращению уловов рыбы.
Антропогенные изменения рек России за историческое время (по [30]). Существуют древние карты, а также летописи, которые свидетельствуют, что Волга у Астрахани протекала вдоль стен Кремля, Якутский острог был основан на берегу Лены, Серпухов и Рязань - на берегах Оки. По картам изменения русел рек бассейнов pp. Волги и Дона можно проследить с XVIII в. (карта Дона адмирала Крюйса - 1704 г., карты Суры конца XVIII - начала XIX в.), северных и многих других рек - с середины XIX в., Западной Сибири - с начала XX в., Восточной Сибири - с 20-30-х гг. XX в.
Таблица 4.8
Группы и основные представители рыб пресноводного комплекса
Р.С. Чалов выделяет два периода развития антропогенной нагрузки на реки. Непосредственное влияние хозяйственной деятельности на русла в ранний период было ограниченным, хотя антропогенное преобразование рек началось еще в XVIII в. в горнопромышленных районах при создании многочисленных заводских прудов на Урале. В ранний период (середина XIX - начало 50-х годов XX в.) воздействие человека на реки проявлялось в сокращении речной сети под влиянием ускоренной эрозии водосборов из-за вырубки лесов и распашки земель. Сравнение карт XIX в. и современных показывает, что в сгонной зоне сокращение речной сети за указанный период составило 30 %. Русло верхней Оки, например, за счет регрессивной (против течения) эрозии повышалось в Орле на 1,5-2 см в год. В Белеве с конца XIX в. до начала 40-х гг. XX века скорость перемещения дна русла вверх по течению составляла 0,6 см в год.
В конце XIX - начале XX в. на отдельных реках, протекающих в основном в западных губерниях России, проводились работы по регулированию русла для навигационных целей (Днестр, Неман). В 30-е гг. такому преобразованию подверглось русло р. Белой. Эти работы выполнены подобно выправлению западноевропейских рек - стеснением русел дамбами (полузапрудами), нередко двусторонними, в результате чего их ширина уменьшилась в 1,5-2 раза, глубина увеличилась. Однако работы по совершенствованию водных путей были ограничены. Небольшие размеры выправления рек были связаны с тем, что естественные глубины соответствовали требуемым габаритам судов того времени и др.
Со временем воздействие на реки увеличивалось. Были построены Волховская ГЭС (1926), практически не повлиявшая на врезанное в коренные берега русло Волхова, другие узлы с водохранилищами. Начались работы по созданию крупных каналов в европейской части России, по которым осуществляется переброска вод из бассейна р. Кубани в засушливые районы. Переброска вод из верхней Волги в р. Москву привела к изменению русловых деформаций в последней. То же, но в больших масштабах произошло на реках, принимающих воды из мелиоративных каналов на юге европейской части территории России, - их русла врезались на несколько метров и превратились в подобие каньонов.
Поздний (современный) период интенсивного антропогенного воздействия на реки приходится на начало 50-х - конец 80-х гг.
Прудами было изменено большинство малых рек лесостепной и степной зон европейской части территории России, юга Западной Сибири, Алтая. Развернулось крупное гидроэнергетическое строительство. Волга, Кама, Ангара, верхний Енисей превратились в каскады водохранилищ. Водохранилища существенно изменили реки Дон, Иртыш, Обь, Вилюй, Зею, Кубань, Их создание нарушило естественный гидрологический режим, прервало транзитный твердый сток. В результате глубинной эрозии в нижнем течении рек произошло понижение уровней воды до 70 см, зоны размывов русел смещались вниз по течению со скоростью 0,5-25 км в год. Русла рек изменились на большом их протяжении (до сотен километров) - увеличилась кривизна излучин (Дон), отмерли боковые рукава, образовались новые острова (Обь, Енисей).
Существенным изменениям подвергались реки выше водохранилищ, где стала происходить активная аккумуляция наносов. Скорость повышения отметок дна в этой зоне достигла нескольких сантиметров в год, распространение аккумуляции - нескольких километров в год.
С начала позднего периода сооружались крупные мелиоративные системы на юге страны. Отвод стока в магистральные каналы также активизировал техногенно обусловленную аккумуляцию и соответственно обмеление русел. Русла рек, в которые перебрасывались воды, наоборот, размывались. Так, сток р. Большой Егорлык увеличился после постройки в конце 40-х годов Невинномысского канала почти в 10 раз. Глубина размыва только за три первых года составила 2,2 м; за 10 лет русло превратилось в каньон глубиной 15 м и шириной 25-40 м.
Широкого развития достигла добыча строительных материалов (песок, песчано-гравийная смесь, гравий, галька) из речных русел. Часто из рек извлекался древний аллювий, подстилавший их дно. Это привело к изменению рельефа русла рек, увеличению площади поперечного сечения, понижению уровней воды. в Томске уровни воды за последние 30 лет понизились на 2,6 м, в Омске за 20 лет - на 1,4 м, на Оке в районе Калуги - на 1,4 м. На протяженных участках рек (десятки километров) ниже карьеров развивается трансгрессивная, распространяющаяся вниз по течению реки, эрозия, а выше карьеров - регрессивная эрозия. В восточных районах многие реки были изменены вследствие разработки месторождений россыпных полезных ископаемых.
Значительный размах в 60-80-е годы получают дноуглубительные и выправительные работы, которые привели к 1,5-2-кратному увеличению глубин на перекатах, закреплению форм русла, прекращению периодичности их развития. На Дону и Иртыше были искусственно спрямлены многие излучины. На Оби, ниже Новосибирска, объем дноуглубления вырос за 30 лет с 6,5 тыс. до 50-60 тыс. м3 на 1 км водного пути, вследствие чего глубины увеличились в 1,5 раза. Существенно изменилась форма поперечного сечения русла рек на перекатах, где был удален мешающий грунт и тем самым повысилась пропускная способность русла.
Наиболее заметные изменения русловых процессов отмечаются на крупных реках, непосредственно прилегающих к высоко урбанизированным территориям, где совокупно действуют несколько техногенных факторов: возведение крупного гидроузла, добыча стройматериалов, дноуглубительные и выправительные работы, горнопромышленные узлы типа Норильского, горно-обогатительные комбинаты типа Гайского и т.п. На малые реки локальное воздействие оказывают лесозаготовки, лесосплав, освоение нефтегазовых месторождений.
Литосфера Земли развивается, судя по абсолютному возрасту древнейших горных пород, как это уже было отмечено выше, около 4 млрд лет. Жизнь на Земле в форме простейших водных организмов – водорослей, микроорганизмов – зародилась около 1 млрд лет назад. Развитие литосферы и жизни происходило в тесном, многообразном и непрерывном взаимодействии и взаимосвязи. Установлено, что живые организмы, отмирая, образовали и продолжают образовывать каустобиолиты (торф, ископаемые угли, горючие сланцы, нефть и газ), органогенные известняки, некоторые кремнистые породы. При участии живых организмов сформировались многие осадочные горные породы и залегающие в них месторождения железа, марганца, меди и других металлов, месторождения сероводородных, метановых минеральных вод и других полезных ископаемых.
Биосфера Земли в форме разнообразных микроорганизмов распространяется на глубину до 2-3 км и есть основания полагать, что благодаря высокой приспособляемости простейших форм жизни так было и в геологическом прошлом.
Живые микроорганизмы, взаимодействуя с минералами горных пород, подземными водами, органическими веществами, газами, совершают огромную “геохимическую работу” по трансформации, накоплению и рассеиванию вещества земной коры, которая в одних условиях приводит к формированию, в других – к разрушению месторождений полезных ископаемых, изменению свойств горных пород.
Развитие жизни сопровождалось увеличением разнообразия ее форм, усложнением их строения и возрастанием приспособляемости к условиям нахождения во всех географических зонах планеты. Приспособляемость живых организмов к разнообразию термодинамических условий Земли является поразительной. Бактерии, например, обнаружены в термальных подземных водах с температурой до +80 °С. Жизнеспособные споры и пыльца растений могут миллионы лет сохраняться в условиях отрицательных температур сплошной криолитозоны.
В.И. Вернадский считал постоянной в течение всего фанерозоя общую массу живого вещества Земли, при этом роль живых организмов в развитии литосферы в ходе ее эволюции возрастала.
В настоящее время стало очевидным и общепризнанным влияние деятельности человека на геологическую среду.
Взаимодействие экосистем и геологической среды происходит на многих иерархических уровнях – от глобального до конкретного локального [15, 35].
Геологическую среду следует рассматривать как многоуровневую систему, развивающуюся под влиянием геологических, биологических и техногенных факторов и оказывающую влияние на развитие живых организмов, условия и среду обитания человека [15]. При этом необходимо помнить о существующих прямых и обратных связях экосистем и объектов геологической среды в их разнообразных проявлениях. Так, любое инженерное сооружение не только оказывает влияние на характер массоэнергообмена в геологической среде в зоне своего влияния (в первую очередь на подземные воды), но и само постепенно разрушается под действием природных вод, ветра, перепада температур, экзогенных геологических процессов, живых организмов.
Известно множество фактов, свидетельствующих о значительной роли микроорганизмов в формировании экологических условий окружающей среды. В качестве примера можно привести современное образование горючих и токсичных газов в основаниях жилых и производственных зданий, в тоннелях метро, разрушение бактериями металлоконструкций в горных выработках, роль бактерий в оползневых процессах.
Изучение особенностей взаимодействия и развития геологической среды и экосистем в различных условиях – задача предстоящих исследований.
Как указывалось в вводном разделе курса, под "геологической средой" понимают верхнюю часть литосферы, находящуюся под воздействием инженерно-хозяйственной деятельности человека. Мощность ее определяется глубиной проникновения в толщу горных пород глубоких и сверхглубоких буровых скважин. На континентах она в среднем составляет 5-6 км, увеличиваясь в отдельных точках до 11 км. В океанах, учитывая бурение более 800 скважин с судов "Гломар Челленджер" и "Джойдес Резолюшн", ее нижняя граница проходит на глубине до 1,5 км ниже уровня морского дна.
К понятию "геологическая среда" приближается понятие "верхняя часть геологического разреза" (в узком значении этого термина) - объем геологической среды, соответствующий зоне наиболее активного техногенеза и оказывающий существенное воздействие на наземные и подземные сооружения, агротехнические и другие условия хозяйственной деятельности. Мощность этого техногеннодеятельного слоя лежит в диапазоне от нуля до сотен метров. Верхняя часть геологического разреза - арена суммарного проявления природного геологического и техногенного процессов рассеивания вещества, а также разнообразных физических полей.
В различных структурных элементах Земли геологическая среда и верхняя часть геологического разреза охватывают различные слои земной коры. На континентах - это осадочный слой и верхний слой консолидированной коры (гранитно-метаморфический). Последний обнажается в пределах складчатых поясов и на щитах древних платформ. Отдельными буровыми скважинами он вскрывается и в пределах континентальных платформенных плит. Нижний слой консолидированной континентальной коры инженерно-хозяйственной деятельностью пока не охвачен. Глубоководным океаническим бурением затронут в основном осадочный чехол океанов. Консолидированная часть океанской коры вскрыта лишь единичными скважинами.
В состав осадочного слоя входят различные осадочные горные породы, а также местами покровы и сиплы основных магматических горных пород. Главную роль в гранитно-метаморфическом слое играют кристаллические сланцы, гнейсы, амфиболиты и граниты.
Геологическая среда находится в зоне воздействия современных тектонических движений, которые проявляются как разнообразные дислокации. Наиболее универсальным повсеместно распространенным типом современных дислокаций, имеющих первоочередное геоэкологическое значение, являются трещиноватость и активные разрывные нарушения.
Трещиноватость наблюдается во всех горных породах, независимо от их возраста и петрографического состава, но в наиболее "чистом" виде, не искаженном другими деформациями, - в отложениях платформенного чехла. В своей ориентировке трещиноватость подчиняется определенной закономерности - выделяются три пары сопряженных систем трещин, из которых одна следует вдоль широт и меридианов (ортогональная система), а две другие занимают диагональное положение с ориентировкой к "сторонам света" 300-120° и 330-150°. Эта ориентировка связана с напряжениями, возникающими при изменении фигуры и скорости вращения Земли, ротационными силами. Сами же трещины образуются в результате различных причин, основными из которых являются движения по разрывным нарушениям, диагенез осадочных пород и остывание магматических образований, происходящие в поле ротационных напряжений.
Кроме трещин и трещиноватости большая экологическая роль принадлежит и активным корковым разрывам различной морфологии: сбросам, взбросам, сдвигам, надвигам и раздвигам, современные вертикальные и горизонтальные перемещения по которым определяют формирование рельефа и затрудняют инженерно-хозяйственную деятельность.
Геологическая среда находится в естественном напряженном состоянии и характеризуется в различных ее частях разными полями напряжения. Доказательством являются деформации стволов буровых скважин, которые выражаются в изменении их поперечного сечения, искривлении или сдвиговом нарушении этих стволов.
Геологическая среда создает аномальные геофизические (магнитные, гравитационные, электромагнитные, геотермические и др.) и геохимические поля, представляющие собой совокупность отдельных аномалий. Аномалии геофизических и геохимических полей составляют неотъемлемую часть окружающей среды и существенно влияют на нее.
Эволюция геологической среды реализуется через многообразные геологические процессы, различающиеся по своей природе (физические, физико-химические и др.), масштабам проявления, темпам развития, длительности и силе воздействия на природные и техногенные объекты. Поэтому в ряду факторов, формирующих экогеологическую обстановку конкретных регионов, степень их благополучия или опасности, современные геологические процессы занимают ведущее место.
Геологические процессы, протекающие в земной коре, принято разделять на эндогенные (ЭнГП) и экзогенные (ЭГП). Между этими процессами существуют тесное взаимодействие и взаимообусловленность. Внешние факторы могут оказывать существенное воздействие на скорость и характер протекания эндогенных процессов. В частности, известно много случаев, когда техногенные или экзогенные процессы оказывались непосредственной причиной (“спусковым” механизмом) интенсификации ЭнГП в эндогенно-напряженных регионах. Так, землетрясение на Туранской плите в районе Газли (в регионе, по сейсмическому районированию отнесенном к 6-балльной зоне) было вызвано усиленной разработкой месторождений газа и связанным с ней уменьшением пластового давления и перераспределением напряжений в толще пород. Землетрясения небольшой силы и с неглубокими гипоцентрами происходят в акваториях водохранилищ, например Воткинском (Удмуртия). Активность проявления землетрясений связана также с воздействием космических тел и прежде всего Солнца и Луны. Установлено также, что с изменением солнечной активности изменяется скорость вращения Земли и это отражается на напряженном состоянии земной коры и других геосфер [39].
Изучение особенностей взаимодействия и развития геологической среды и экосистем в различных условиях – задача предстоящих исследований.
К группе эндогенных геологических процессов относятся множественные формы эволюции геологического вещества, обусловленные действием глубинных факторов, включая флуктуацию теплового поля, гравитационные просадки протяженных ареалов, вынос вулканического материала и метаморфогенных продуктов и др.
Среди ЭнГП с точки зрения экогеологии и экогеологического картирования наибольшее значение имеют неотектонические процессы, землетрясения и вулканическая деятельность.
Неотектонические процессы обусловлены многими причинами, вызванными изменениями, происходящими в коре, мантии и ядре Земли (стремление к изостатическому равновесию, региональный метаморфизм и др.); они характеризуются горизонтальными и вертикальными перемещениями блоков земной коры.
Вертикальные движения земной коры наблюдаются повсеместно, причем если отдельные участки в данный момент испытывают поднятия, то другие опускаются. Режим, интенсивность и контрастность этих движений в разных геоструктурных элементах неодинаковы и изучены недостаточно. В горных регионах вертикальные движения имеют дифференцированный характер и отличаются большой интенсивностью и контрастностью. Например, водораздельные части Главного Кавказского хребта воздымаются со скоростью 10-12 мм/год, а побережье Черного моря в районе г. Поти опускается со скоростью 5 мм/год. Градиент приращения вертикальных движений в горных странах может достигать 0,5 мм/км в год. В платформенных областях интенсивность вертикальных движений меньше, но на отдельных участках она может достигать нескольких миллиметров в год.
Современные горизонтальные тектонические движения изучены мало. При помощи повторных лазерных измерений установлено, что расстояние между хребтами Петра Великого и Гиссарским (Таджикистан) уменьшается на 20 мм/год. Исследование тектонических структур, шарьяжей, складок волочения и особенностей движения платформенных плит свидетельствует о том, что горизонтальные тектонические движения имели в прошлом и имеют в настоящее время широкое распространение.
С современными тектоническими движениями связано возникновение напряжения и деформаций в земной коре. Когда напряжения достигают критических значений, превышающих предел длительной прочности горных пород, происходит разрядка накопившейся упругой энергии, сопровождаемая землетрясением.
Физические и геохимические аномалии, оказывающие определенное воздействие на организмы и человека, можно назвать экоаномалиями [2]. В настоящее время вводятся также новые понятия, характеризующие эко-геохимические и геоэкологические особенности элементов: их литотоксичность (табл. 5.1), а также гидротоксичность - атмотоксичность, геоэкофильность и показатели геоэкологичности [27].
В целом аномалии разделяются на две большие группы: естественные (природные), обусловленные геологическими факторами, и техногенные (искусственные), созданные человеком.
Природные экоаномалии и их источники постоянно существуют независимо от желания человека. Они являются отражением разнообразных эндогенных и экзогенных геодинамических, а также физико-химических процессов, протекающих в геологической среде. Большая их часть обусловлена рудными залежами, полезными неметаллическими ископаемыми и отдельными геологическими структурами. Источники таких аномалий можно разделить на три большие группы.
К первой группе относятся объекты, генерирующие длительно существующие, достаточно постоянные во времени и пространстве физические и геохимические поля. Так, в зоне окисления сульфидных месторождений возникает сложная система электрических и температурных полей, аномалий Сu, Zn, Рb, Sc, Cd, In, SO2, СО2 и др. Активные глубинные разломы, являющиеся источником линейной фирмы, поставляющие на поверхность Земли эманации гелия, углеводородов, радиоактивных газов (в том числе радона), создают соответствующие локальные аномалии.
Таблица 5.1
Коэффициенты геотоксичности (литотоксичности) Тх элементов
по геохимическим группам (по [ 26])
Примечание. На основе коэффициентов литотоксичности Тх подсчитывается литоэкологичность разных объектов: n Sr и другие -радиотоксичные нуклиды;
** отдельные соединения С, Cl, P относятся к I, II и IV группам опасности, а соединения S, Al, N - к II и IV группам.
По степени экологического воздействия как источник, так и аномалии могут быть разделены на высоко опасные (окисные месторождения U, сернистые руды Bi, Те, Se, As, Sb, Нg, Сu и др.), умеренно опасные (месторождения Pb, Zn в карбонатных породах, месторождения галоидных соединений и др.), малоопасные (месторождения слюды, талька, драгоценных камней и др.).
Вторую группу составляют те из них, которые создают физические и геохимические поля или локальные аномалии, предшествующие геологическим процессам, протекающим практически мгновенно и носящим характер катаклизмов. К таким процессам относятся в первую очередь землетрясения, предвестниками которых является образование различных аномалий: сейсмических, электрических, магнитных, деформаций поверхности рельефа, гидрогеологических, газохимических.
К третьей группе относится Солнце, всплески активности которого вызывают магнитные бури, перераспределение теллурических токов в геологической среде и др.
Искусственные экоаномалии чрезвычайно разнообразны по размерам, форме и внутреннему строению. большинство из них имеет комплексный характер. Они являются результатом излучения и рассеивания разных видов энергии и вещества.
Так, труба теплоэлектростанции, работающей на угле, рассеивает пыль, тепловую и радиоактивную энергию (за счет присутствия в угле радиоактивных соединений), создает в почвах многокомпонентные вторичные ореолы рассеяния U, Th, Ge, S, а в нижних частях тропосферы -агрохимические или газовые ореолы рассеяния соединений С, N, S.
Главными источниками искусственных аномалий являются городские агломерации, сельскохозяйственные комплексы, промышленные и горнодобывающие предприятия, электростанции, транспортные магистрали, линии электропередач и кабели связи, радио и телекоммуникационные системы, аэродромы, площадки для запуска ракет, нефтебазы, склады ГСМ, хранилища химических и радиоактивных отходов, золоотвалы, хвостохранилища, полигоны для испытания различных, в том числе и ядерных, вооружений.
Размеры и амплитуды искусственных аномалий часто соизмеримы, а в отдельных случаях многократно превышают природные аномалии.
Например, авария Чернобыльской АЭС создала радиоактивную аномалию, по суммарной площади, спектру радионуклидов и интенсивности излучения превосходящую любой из известных природных геологических объектов. Максимальные концентрации и суммарные запасы некоторых тяжелых и редких металлов в золоотвалах и хвостохранилищах в отдельных случаях превосходят запасы тех же полезных ископаемых в природных месторождениях. Напряженность электромагнитных полей мощных радиостанций, ЛЭП во много раз превышает таковую при проведении на рудных телах электроразведочных работ.
Физические и геохимические экоаномалии обладают некоторыми специфическими особенностями:
1) их источники обычно располагаются на дневной поверхности или в верхней части геологического разреза;
2) они имеют крайне ограниченную вертикальную мощность при плоскостном, площадном характере распространения;
3) в отличие от природных аномалий, связанных с рудными залежами и геологическими структурами, создающих физические поля и первичные ореолы рассеяния, грубоконцентричные по отношению к аномалиеобразующим объектам, техногенные экоаномалии распределяются вдоль путей перемещения воздушных масс, подземного и поверхностного стока, вдоль автомобильных и железнодорожных магистралей и т.д.;
4) для экоаномалии характерно не только пространственное совпадение и наложение нескольких физических полей, но и совмещение совершенно разнородных аномальных параметров.
Так, вдоль автомагистрали, включающей полотно дороги с кюветами и полосой отчуждения, ЛЭП, воздушные и подземные линии связи, трубопроводы, возникают:
а) комплексные ореолы Рb, Нg, Zn, бензопирена, азотистых, сернистых и других соединений за счет выхлопных газов; б) первичные и вторичные электромагнитные поля, индуцируемые в электропроводниках ЛЭП и линий связи; в) электрические потенциалы за счет фильтрации метеорных вод через подушку полотна дороги;
г) сейсмические и акустические колебания при движении автотранспорта.
По относительным размерам среди экоаномалий выделяют: точечные (например, за счет скоплений акцессорных минералов в породе или утерянного ампульного эталона радиоактивного излучения), локальные (например, возникшие на месте свалки бытовых отходов или небольшого рудного тела с определенными токсичными элементами-примесями), региональные (в частности, образующиеся вследствие токсичных выбросов крупной ТЭЦ).
Радиационные поля и аномалии [2, 27] приводят к облучению живых организмов и человека, что при больших дозах вызывает повреждение живых тканей, разрушение клеток, лучевую болезнь и быструю смерть, а при малых - повышает риск онкологических заболеваний и приводит к серьезным генетическим отклонениям.
Степень радиационного воздействия измеряется эффективной эквивалентной и коллективной эффективной эквивалентной дозами облучения. Первая из них учитывает способность излучения данного вида (альфа-, бета- или гамма-излучение) повреждать ткани организмов и измеряется в зивертах (1 Зв равен 1 Дж энергии, поглощенной 1 кг массы облучаемого тела); вторая равна сумме индивидуальных эффективных эквивалентных доз, полученной группой людей (измеряется в человеко-зивертах).
Естественными источниками радиации являются космические лучи и радиоизотопы горных пород: калий-40, рубидий-87, уран-238, торий-232 и дочерние элементы реакций радиоактивного распада. За счет космических лучей с увеличением высоты над уровнем моря эффективная эквивалентная доза возрастает многократно. Например, на высоте полета трансконтинентальных авиалайнеров уровень облучения возрастает почти в 170 раз по сравнению с уровнем моря.
Заметную роль в общую радиацию вносят уголь и фосфориты. Содержащиеся в них радиоактивные соединения при сжигании угля и при использовании минеральных фосфорных удобрений загрязняют золу, шлак и дым, проникают в почву и вместе с другими радиоактивными изотопами горных пород попадают в пищевые цепи.
Наибольший вред из всех естественных источников радиации оказывает радон, на который приходится около 75 % годовой коллективной эффективной эквивалентной дозы, получаемой населением от естественных источников. Радон накапливается внутри зданий при горении природного газа, выделяется из воды при пользовании душем, диффундирует из строительных материалов промышленных и жилых конструкций. В табл. 5.2 (по [26]) приведены значения средней удельной радиоактивности воздуха при пользовании душем, обусловленной радоном и продуктами его распада (биокюри/м3).
Таблица 5.2
Средняя удельная радиоактивность воздуха при пользовании душем
На увеличение концентраций радона влияет и герметизация помещений с целью утепления (табл. 5.3, 5.4).
Таблица 5.3
Средняя удельная радиоактивность строительных; материалов,
применявшихся в разных странах (по [26])
Та6лица 5.4
Повышение содержания радона внутри домов в Швеции при снижении скорости вентилирования помещений (по [26])
На долю искусственных техногенных источников радиации приходится около 20 % среднегодовой коллективной эффективной эквивалентной дозы. Техногенные источники чрезвычайно разнообразны. Диапазон их колеблется от ядерного оружия и радиоактивного топлива АЭС до средств медицинской диагностики и лечения, а также разнообразной аппаратуры, используемой при поисках и разведке полезных ископаемых,
Допустимые дозы облучения, которые может принять орган человека, например, в лечебных целях, приведены в табл.5.5.
Та6лица 5.5
Допустимые дозы облучения для органов человека (по [26])
Наибольший вред наносят ядерные испытания, аварии на АЭС, хвостохранилища урановых обогатителей фабрик и хранилища отходов радиоактивных производств (табл. 5.6).
Таблица 5.6
Оценка коллективной эффективной эквивалентной дозы на каждый гиговаттгод электроэнергии, вырабатываемой АЭС
(по данным НКДАР)
Электромагнитные поля Земли имеют различную природу и в общем случае представляют собой результат векторного сложения нескольких компонент:
Е = Еk + Еу + Еm+ Ea,
где: Еk - составляющая, обусловленная источниками солнечной и космической природы; Еу - унитарная составляющая, обусловленная глобальными вариациями поля, циклически и синхронно проявляемыми по всей планете с 11-летним, годовым, 27-суточным или суточным периодами; Еm - составляющая, зависящая от местных природных условий; Еa- антропогенная составляющая.
В последние десятилетия существенно возросла роль антропогенного фактора в образовании электромагнитных полей, что связано с появлением многочисленных радио- и телевизионных станций, интенсивным движением транспорта, работой промышленных предприятий, радиолокаторов и т.д.
Исследования влияния электромагнитных полей на живые организмы находятся пока в начальной стадии. Тем не менее, доказано, что любой живой организм реагирует на электромагнитные поля даже в условиях нормального режима генераторов электромагнитных излучении. Люди, работающие с источниками электромагнитных полей, жалуются на потерю аппетита, ослабление памяти, головную боль, быструю утомляемость. Предположительно акселерация молодежи является следствием повышения электромагнитного поля планеты.
Результаты работ в байкальском регионе подтверждают, что организация биоты, ритмы жизни в сообществах, особенности эволюции и адаптации организмов могут быть связаны с электромагнитными полями Земли (Мельник Н.Г. и др., 1998). Так, первые исследования показали, что магнитосферные источники изменчивости электромагнитных полей Земли оказывают влияние на ритмику вертикальных перемещений планктона. На территории Государственного Никитского ботанического сада в Крыму действует микробиосейсмополигон, на котором проводятся работы по выявлению биопредвестников землетрясений. Начиная с 1984 г. здесь проводятся наблюдения за скальными крымскими ящерицами и безногими желтопузиками, живущими в естественных природных условиях (Шарыгин С.А., Любимов В.В., 1998). Поведение этих популяций рептилий хорошо известно: за несколько часов перед землетрясением они покидают свои норы и убежища, выходят на поверхность даже ночью или зимой, просыпаясь от спячки. Эффект биопредвестника состоит в том, что рептилии перед землетрясением занимают всегда только горизонтальное положение. Одновременно были зафиксированы случаи ложных сигналов от «биопредвестников» приходящиеся на период сильных магнитосферных возмущений и бурь. С 1992 г. в Никитском ботаническом саду ведется непрерывный круглосуточный электромагнитный мониторинг окружающей среды. С помощью магнитометров был исследован не только уровень различных шумов и помех на биосейсмополигоне, но и получены характеристики электромагнитного поля. Оказалось, что рептилии реагируют и на аномальное изменение (возмущенность) геомагнитного поля. Магнитные бури с внезапным началом вызывают у животных реакцию, сходную с поведением перед землетрясением.
Вибрационные поля создаются как природными, так и техногенными факторами. К первым относятся упругие сейсмические колебания, действие прибоя, ветра и т.д. Наибольшую роль в появлении техногенной вибрации играют транспортные магистрали и транспортные средства: автомобили, поезда, самолеты, морские суда.
Наиболее неблагоприятное воздействие на человека оказывает вибрация с частотами 1 -30 Гц. Именно в этом диапазоне расположены основные частоты вибрации как антропогенных, так и природных источников.
Результатами длительного воздействия вибрации являются нарушения сердечно-сосудистой системы, вестибулярного и опорно-двигательного аппаратов, нервные заболевания и др.
Помимо биологического воздействия вибрация влияет и на верхнюю часть геологического разреза, приводя к изменению структуры грунтов и пористости пород, активизации оползневых, солифлюкционных и других процессов.
Геохимические поля и аномалии обусловлены повышенными концентрациями тяжелых металлов и микроэлементов в верхней части геологического разреза. Концентрации измеряются содержанием элемента на единицу массы (мкг/г, мг/г, г/т или на единицу объема (мкг/л, мг/л, г/м3) вещества, а также в %. В 1972 г. ООН был принят список наиболее опасных для человека веществ, к которым отнесены сернистый газ, оксид и диоксид углерода, оксид азота, углеводороды, хлорорганические соединения, микотоксины, нитраты, нитриты, нитроамины, аммиак, ртуть, свинец, кадмий, а также взвешенные в воздухе пылевые частицы, концентрирующие различные металлы. Общее количество веществ, отнесенных к токсичным, сейчас близко к 3000, большинство из них - органические соединения.
Экологическое значение химических элементов и связанных с ними геохимических аномалий многоплановое. Так, среди токсичных металлов по биологической важности выделяются главные, жизненно необходимые Мg, Са, Mn, Fe, Na, К, Со, Zn, Mo. Имеются данные о нормальных и экстремальных, недостаточных и избыточных содержаниях некоторых элементов в почвах и растениях, а также для сельскохозяйственных животных.
Химические элементы, мигрирующие в ландшафте, создают две крупные группы геохимических полей и аномалий: фоновые – «нормальные», характерные для данной территории, связанные в основном с особенностями геологического строения территории (составом горных пород) и некоторыми другими факторами, а также аномальные, которые могут быть обусловлены поступлением химических элементов как от природного, так и от техногенного источника с аномально высоким (нетипичным) для данного района содержанием тех или иных химических элементов. Например, от рудного тела, залежи углеводородов, газохранилища, могильника промышленных отходов, стоков и др. Уникальные свойства растений улавливать и усиливать сигналы о природной или техногенной геохимической аномалии в геологической среде используются при поисках полезных ископаемых и при экологических исследованиях.
Природные геохимические аномалии. Растительный покров, на долю которого приходится более 70 процентов площади Земли, способен к индикации даже очень слабо минерализованных участков как на поверхности, так и на значительных глубинах. Различия в здоровье, форме и жизнеспособности животных и растений зависят от разных химических факторов среды, из которой они получают питательные вещества. Избыток или недостаток какого-либо элемента или группы элементов в субстрате конкретных территорий, как правило, влияет на ту или иную форму местного заболевания или на условия, которые легко отделяют этот район от соседствующих с ним. А.П. Виноградов называл такие районы «биогеохимическими провинциями». Литература о воздействии на живые организмы естественных локальных или площадных геохимических аномалий обширна (см. библиографию в [18]). Первые результаты наблюдений за взаимосвязью химического состава подстилающего субстрата и произрастающей на нем растительности были зафиксированы в связи с поисками месторождений полезных ископаемых.
Большинство морфологических и мутационных изменений растений происходит в результате токсичного воздействия на них полезных ископаемых, залегающих вблизи поверхности или на значительных глубинах. Древним римлянам было известно, что растительный покров отражает до некоторой степени характер подпочвы или отражает породы, залегающие на глубине в относительно ненарушенном состоянии. По крайней мере, 400 лет назад рудознатцы Европы и Китая, обратив внимание на взаимосвязь между растительностью и субстратом, начали вести описания растений-индикаторов руд и минералов, многие из которых справедливы сегодня так же, как и несколько веков назад. Используя геоботанические методы поисков месторождений, рудознатцы изучали характерные черты и распределение целых популяций растений и отдельных растений-индикаторов; принимали во внимание морфологические изменения растений, происходящие под влиянием минерализации и их заболевания: карликовость или гигантизм, различия в окраске, пятнистость или хлороз листьев, необычность форм плодов, изменение окраски цветков, нарушение ритма периода цветения, отклонения формы роста и др.
Многолетняя практика изучения результатов воздействия на растения естественных геохимических аномалий, связанных с минерализованными участками, показала следующее. Из всех морфологических преобразований, которые претерпевает растительность под воздействием субстрата, самая значительная часть приходится на долю флоры серпентинита. Почва серпентинитов значительно отличается от обычных почв; она богата Cr, Co, Fe, Мd и Ni и испытывает дефицит в Са, Мо, N, Р, К. Тщательное изучение флоры серпентинита в Финляндии, Италии, на островах Новая Каледония, в Новой Зеландии, Польше, Португалии, Испании, СССР, Швеции, США, Зимбабве показало, что характерной особенностью этого типа флоры является карликовость и скудность ее растительных единиц.
Определенное сходство с флорой серпентинитов имеют и растительные сообщества, обитающие на почвах с высоким содержанием меди, свинца или цинка: растения здесь обычно чахлые и низкорослые; широколиственные виды растительности отсутствуют. Некоторые виды растений производят экотипы, морфологически неотличимые от произрастающих на серпентинитовых почвах. В Юго-Западной Африке геологи по характеру растительности нашли медную минерализацию под верхними отложениями песка в районе Витфлея. В Ботсване, ориентируясь на аномальную полосу кустарников с преобладанием Ecboliuin lugarclae, ученые предугадали существование медьсодержащей минерализации под более чем 30-метровым слоем «пустых» пород.
Цинковая (гальмейная) флора известна более 100 лет, и еще для первых рудознатцев члены гальмейных сообществ, такие как Viola calammaria, служили поисковым признаком соответствующих рудных месторождений.
Мхи и лишайники также обладают необыкновенной способностью абсорбировать рассеянные элементы из почвы, на которой они произрастают, и часто проявляют гораздо большую толерантность относительно неблагоприятных локальных условий, чем сосудистые виды растений. Склонность некоторых видов мхов к меди известна с первой половины XIX в. При исследовании мхов Polilia nutans, произрастающих над болотными медными рудами в Канаде, ученые обнаружили до 2,4 % меди (сухая масса) в этом растении. Количество меди было приблизительно пропорционально степени хлороза листьев.
Одни элементы (мышьяк и хлорат) могут замещать в растениях основные питательные вещества - участки, обычно принадлежащие фосфату и нитрату, другие (алюминий, берилий и титан) - легко выделяют в осадок фосфат, что делает его недоступным для растений. Такие элементы, как лантан, оказывают сильное каталитическое разложение основных питательных веществ. Медь, золото, свинец и ртуть могут уменьшать проницаемость мембраны клетки и препятствовать проникновению в нее калия, натрия и молекул органических веществ. Некоторые элементы (например, литий) замещают в клетке другие элементы (натрий).
Аномалии форм, за исключением гигантизма и карликоватости, часто являются признаками наличия бора или радиоактивных элементов в нижних слоях почвы (рис. 5.1.).
Рис. 5.1. Изменение формы плода Vaccinum под воздействием радиоактивности в районе Чертиль, Манитоба (Р.Р. Брукс, 1986):
а - плоды нормальной формы; б - различные мутации плодов
Характерная желтоватость указывает на недостаток железа в растении, вызванный воздействием других элементов и, возможно, на низкое содержание железа в субстрате. Изменение характера окраски цветков является результатом радиоактивности или избытка определенных элементов в почве (рис. 5.2) и т.п. Карликовость серпентинитовых видов флоры неизменно указывает на наличие ультраосновных пород в субстрате. Гигантизм встречается гораздо реже и часто ассоциируется с присутствием битума или бора. Однако нельзя путать гигантизм со стимулирующим влиянием избытка питательных веществ или радиоактивности. Раннее и вторичное цветение указывает на стимулирующие вещества, такие как избыток бора, азота, фосфора или калия, на наличие битума или радиоактивности. Позднее цветение также является симптомом токсичности.
Рис. 5.2. Изменение характера окраски лепестков цветков Papaver соm-mutatum под воздействием химических элементов меда и молибдена
(Д.П. Малюга, 1959) [18]:
a - нормальный цветок; б - видоизмененный цветок;
в - степень изменения венчика
Таким образом, растения могут выступать индикаторами геохимических особенностей окружающей среды.
Первые наблюдения за воздействием токсичных металлов природных геохимических аномалий на наземных млекопитающих также связаны с поисками месторождений полезных ископаемых - еще Геродот указывал, что уроженцы Индии занимаются поисками и изучением термитников, чтобы определить места минерализации золота.
На здоровье животных фермерских хозяйств большое влияние оказывает состав трав, поглощаемых ими и, естественно, геохимические характеристики субстрата, на котором произрастает эта трава. Картину часто искажает введение дополнительных кормов, которые не всегда бывают местными.
Взаимосвязь между заболеваниями животных и минерализацией (природными локальными и площадными геохимическими аномалиями) была в свое время освещена в монументальном труде Дж. С. Вебба и его сотрудников в Империал-колледже в Лондоне. В 1965 г. группа проводила геохимическую съемку речных отложений в Англии и Уэльсе. Около 50 000 образцов (1 на 2,5 км) было проанализировано с целью выделения 20 элементов, и все данные были перенесены в синоптический геохимический атлас, где для каждого элемента был отведен свой лист и концентрации элементов выделялись кружками различного диаметра. Съемка осветила многочисленные районы с избытком или недостатком рассеянных элементов и ретроспективно помогла скорректировать эти данные с ранее зафиксированными случаями заболевания, вызванного избытком или недостатком тяжелых металлов (о методах геоэкологического картирования см. дальше).
На геохимической карте распределения молибдена в речных отложениях (рис. 5.3) видны значительные геохимические аномалии на контакте между известняками и более молодыми песчаниками, а также глинистыми сланцами. На том же рисунке показаны места распространения случаев заболевания рогатого скота.
Рис. 5.3. Зависимость между природными геохимическими аномалиями молибдена в случаями заболевания рогатого скота [Вебб и др. 1968]
Геологическая схема (а), карта распределения молибдена в речных отложениях и распространения случаев заболевания рогатого скота (б) (Дер-бишир, Англия): 1 - граница новейших отложений; 2 - район выхода на поверхность известняков; 3 – известняки; 4 - более молодые песчаники и глинистые слайды; 5 - аномалии молибдена в речных отложениях; 6 - зарегистрированные случаи отравления молибденом рогатого скота, связанные с недостатком меди в крови. Сходное открытие было сделано в Лаймрике (Ирландия), где высокие содержания молибдена в осадках также коррелируют со вспышками заболевания скота.
Остаточная токсичность древних свинцовых рудников, датируемых еще Римским периодом, стала причиной отравления и падения нескольких голов рогатого скота. Исследования сельскохозяйственных земель, прилегающих к рудникам, обнаружили до 200 мкг/г свинца (сухая масса) в траве местных пастбищ.
В Северном Уэльсе аллювиальные почвы некоторых районов лугов и пастбищ являлись в течении многих лет причиной свинцового отравления животных и токсичного уровня цинка в хлебных злаках. Опасные районы совпадали в границах с участками и зонами естественной минерализации меди - цинка - свинца.
Наблюдения за площадями систематического отравления животных позволили открыть месторождения урана на плато Колорадо. Многие годы в западных штатах считалось, что определенные растения (особенно относившиеся к виду Astragalus) были чрезвычайно токсичны для скота. Это явление было настолько распространено, что на очень больших площадях выпас скота вообще не осуществлялся. В течение долгого времени причина токсичности была неизвестна, пока, наконец, в растениях не был обнаружен селен. Растения Astragalus аккумулировали значительное количество селена из почвы, содержащей уран в различных соединениях.
Специалисты использовали распределение растений на площади для выявления глубинной урановой минерализации. Таким образом, открытие месторождения урана стало конечным звеном в цепи факторов: больные животные - растения-индикаторы селена - зараженность субстрата соединениями селена и урана - урановая минерализация на глубине.
Связь между здоровьем человека и естественными геохимическими аномалиями более сложна, так как люди очень подвижны и их питание или питьевая вода берутся из разных источников. Однако некоторые закономерности между повышенными концентрациями элементов и распространением заболеваний человека можно проследить как на больших площадях, так и в пределах отдельных районов.
В одном из местечек Новой Шотландии (около Галифакса) люди использовали питьевую воду, которая временами вызывала у них тошноту и даже была причиной летального исхода. Исследования показали высокий уровень содержания мышьяка в воде; было установлено, что повышенные концентрации мышьяка являются результатом естественного разрушения близлежащих золотых рудников, где он присутствует в геохимической ассоциации с золотом.
Общеизвестной ртутоносной геохимической провинцией, входящей в состав Тихоокеанского рудного пояса, является Корякское нагорье (север Камчатской области), где широко развиты коренные оруденения ртути, мышьяка и сурьмы - химических элементов, представляющих особую опасность для биосферы. В конце 80-х гг. были завершены работы по изучению содержания ртути, мышьяка и сурьмы в донных осадках бассейнов водосбора крупнейших рек юго-западной части Корякского нагорья - Таловки, Куюла, Выпенки и впервые получена информация о концентрации токсичных элементов в тонкой фракции аллювиальных отложений на площади 28,8 тыс. км2 (объем банка данных составляет около 40 тыс. анализов по образцам, отобранным с плотностью 1-2 пробы на 1 км2 (И.И. Сонин, Д.Д. Ананченко, ФГУ НПП «Аэрогеология» 1987-1992 гг.)).
Статистический анализ геохимических данных показал, что на значительной части территории средние содержания мышьяка, сурьмы и особенно ртути многократно превышают кларки этих элементов для литосферы. На этом фоне были выявлены отдельные бассейны водосбора с содержаниями ртути до 1 г/т, мышьяка до 299 г/т, сурьмы до 10 г/т. Источником ртути являются горные породы, особенно разрывные нарушения в зонах сейсмоактивных глубинных разломов.
При естественной диффузии и фильтрации из горных пород и разрывных нарушений ртуть большей частью сорбируется перекрывающими рыхлыми элюпиально-делювиальными отложениями и находится в течение длительного геологического времени и определенном равновесии с окружающей средой.
По мнению специалистов, активизировать переход ртути из твердого, связанного состояния, не опасного для человека и животных, в твердое подвижное, а также в растворенное и газообразное, уже представляющее опасность, могут самые различные процессы.
Так, бесконтрольное увеличение поголовья оленей ведет к истощению естественных пастбищ из-за интенсивного перемещения больших количеств оленей в поисках корма. Это, в свою очередь, приводит к увеличению скорости эрозии почвенно-растительного слоя и более интенсивному выветриванию элювиально-делювиальных образований на водоразделах и склонах гор.
Крупнейшим экологическим результатом неолитической революции (переход от собирательства и охоты к земледелию и животноводству) стало возникновение пустыни Сахары. Исследования французских археологов (А. Лот, 1984) показали, что еще 10 тыс. лет назад на территории Сахары была саванна, жили бегемоты, жирафы, африканские слоны, страусы. Человек перевыпасом стад крупного рогатого скота и овец превратил саванну в пустыню. Пересохли реки и озера - исчезли бегемоты, исчезла саванна - исчезли жирафы, страусы, большинство видов антилоп. В настоящее время для Прикаспийского региона существует аналогичная опасность. Здесь остро стоят проблемы предотвращения эрозии, деградации почв, закрепления песков - в Прикаспии продолжает расти единственная в Европе пустыня. Для решения проблем Прикаспия в 1990 г. вышло Постановление Совмина РСФСР «О неотложных мерах по повышению продуктивности кормовых угодий и восстановлению экологического равновесия на Черных землях и кизлярских пастбищах». В результате к 1993 г. было закреплено 124 тыс. га песков и деградировавших угодий, были проведены работы по борьбе с опустыниванием на площади 300 тыс. га.
Таким образом, происходит ускоренное высвобождение из горных пород минеральных составляющих, содержащих токсичные химические элементы, которые впоследствии переходят в почвы и растительность, а также накапливаются в илистых донных осадках рек.
Далее круг замыкается: атмосферный и водный, внутрипочвенный перенос ртути, последующая ее аккумуляция ягелем (основной корм оленей) или илами (корм речных микроорганизмов, которыми питается хариус) приводят к накоплению ртути в копытных и в речной рыбе. В результате этого накопления снижается иммунитет, олени заболевают специфической заразной болезнью - копыткой (больных животных оленеводы вынуждены отстреливать), а речной хариус - лимнелезом. Пищевая цепь на этом не обрывается. Далее идет медленное отравление человека ртутью, которая попадает в его организм при употреблении в пищу местных рыбопродуктов и мяса оленей. Так, местные геохимические особенности территории проявляются в едином взаимообусловленном природном комплексе -биогеоценозе.
Первые сопоставления геохимических карт и медицинских статистических данных о летальном исходе среди населения в связи с болезнями печени, органов дыхания и пищеварения выявили более высокий процент указанных заболеваний для Олюторского и Пенжинского районов по сравнению с остальными районами Камчатской области.
Подавляющая часть искусственных геохимических аномалии связана с городами, в которых сконцентрирована основная масса промышленных предприятий и производств. Существенно влияют на естественные геохимические характеристики территорий кислые рудничные воды и промышленные стоки горнодобывающих и горно-обогатительных комбинатов, токсичные вещества, выбрасываемые в атмосферу объектами газовой промышленности, сточные воды нефтепромыслов, продукты разрушения полигонов твердых бытовых отходов (ТБО) и несанкционированных свалок вблизи городов и мегаполисов и т.д.
Накопление горнопромышленных отходов вблизи отечественных ГОКов (зачастую, градообразующих предприятий) приводит к необратимому нарушению экологического равновесия прилегающих территорий. Много лет назад возникла и к настоящему времени не предотвращена угроза полного затопления ценных пахотных земель вблизи Ганского ГОКа (Южный Урал) сильно концентрированными токсичными рудничными водами, обогащенными тяжелыми металлами.
Техногенное геохимическое загрязнение сопровождает не только разработку, но и разведку месторождений, где основными источниками загрязнения окружающей среды являются отвалы канав и штолен, рудничные и дренажные воды. Отвалы поверхностных горных выработок в золоторудных районах Камчатки обычно занимают площади от 1 до 3-5 км3 (Ю.Н. Николаев и др., 1998), на которых почвенный и растительный покров уничтожены или существенно нарушены. Средние содержания химических элементов в отвалах на месторождениях с повышенной сульфидностью золотосодержащих руд превышают ПДК: по Рb и As в 10-20 раз, по Sb, Zn, Mn в 2-3 раза. На месторождениях малосульфидного типа основными элементами-загрязнителями в отвалах канав являются As (до 20 ПДК), Нg, Рb и Аg (до 2 ПДК). Отвалы разведочных штолен - наиболее мощные локальные источники загрязнения окружающей среды. Загрязнение от штольневых отвалов распространяется на прилегающие к ним участки пойм речных долин (S = 1-3 тыс. м2).
Современная техногенная геохимическая аномалия, связанная с промышленной зоной Тырныаузского комбината (Северный Кавказ), сформировалась вследствие механической, водной и воздушной миграции вещества при эксплуатации месторождения и работе комбината, который в целом представляет собой комплекс предприятий, связанных с добычей и обогащением вольфрам-молибденовых руд (карьеры открытой добычи, обогатительная фабрика с хвостохранилищами). Техногенные потоки имеют полиэлементный состав: висмут, молибден, вольфрам, в незначительных количествах - олово, сурьма, мышьяк (Т.А Барабошкина, А.А. Махорин, 1999 г). Гидрохимический техногенный ореол в водах р. Баксан фиксируется на локальных участках ниже Былымского хвостохранилища и в местах сброса рудничных вод. В донных осадках в местах поступления в гидросферу рудничных вод формируются геохимические аномалии вольфрама, олова, молибдена и висмута. В пределах геохимических аномалий наблюдается резкий избыток Мо в травах (30-300) мг/кг. Среди типичных профессиональных заболеваний в районе Тырныаузского комбината, вызванных техногенной аномалией и пылевым разносом, отмечается пневмокониоз, хронический пылевой бронхит, пылевой ларингофарингит.
Техногенное геохимическое загрязнение по своим параметрам может существенно превосходить природное. Уральский регион вызывает пристальный интерес не только как зона экологического бедствия, но и как территория с многочисленными техногенными месторождениями, содержащими широкий спектр металлов, особенно благородных (золото, серебро) и редких. Важным источником цветных металлов и объектом для переработки на цветные, благородные и редкие металлы являются в первую очередь отходы медеплавильных комбинатов Урала, частично отходы ферросплавного производства, возможно, даже золы уральских ГРЭС. Грунты предприятия, перерабатывающего черновую медь, содержат Сu, Zn, Pb, As, Cr, Sn, при концентрации меди более 1% и довольно высоких концентрациях золота и серебра. При этом содержания ряда элементов (свинец, мышьяк) в отходах производства (шлаках) и грунтах несколько выше, чем в перерабатываемом рудном концентрате.
По оценкам экспертов, к началу XXI в. в общем потреблении меди, свинца, олова, алюминия и других цветных металлов доля вторичного сырья в развитых странах составит 30-50 %. Существующие запасы промышленных стоков и отходов горно-обогатительных комбинатов уже сегодня более предпочтительны для извлечения полезных компонентов, чем природные месторождения. Так, при производстве цветных металлов в США используется до 90 различных видов горных отходов. Степень же использования отечественных горнопромышленных отходов не превышает 10 % годового объема их накопления. В России плохо обстоят дела не только с извлечением ценных металлов, но и с утилизацией высокотоксичных техногенных отходов, которые подвергаются выветриванию и размыву.
В целом размеры техногенных геохимических аномалий урбанизированных территорий достигают сотен и тысяч км2. Конфигурация техногенных ореолов рассеяния зависит от розы ветров, рельефа, типа застройки, мест прохождения автотранспортных магистралей и т.д.
Вблизи крупных городов происходит накопление ТБО, которые при неправильном и несвоевременном удалении и обезвреживании могут загрязнять окружающую среду и создавать техногенные геохимические аномалии. По морфологическому признаку ТБО подразделяются на компоненты: бумагу (картон), пищевые отходы, дерево, металл (черный и цветной), текстиль, кость, стекло, кожу, резину, камни, полимерные материалы и пр. (не классифицируемые части). Сезонные изменения состава ТБО характеризуются увеличением содержания пищевых отходов с 20-25 % весной до 40-55 % осенью, что связано с большим потреблением овощей и фруктов в рационе питания. Способы обезвреживания и утилизации различны: складирование на полигонах, сжигание, компостирование, механизированная сортировка и др. В России 96,7 % массы ТБО лишь складируется на полигонах, зачастую специально не оборудованных. Все компоненты отходов в той или иной степени с различной скоростью со временем разрушаются. Продукты разрушения переходят с талыми и атмосферными водами в местные грунты, создавая специфические техногенные геохимические аномалии.
Геохимические агроаномалии соизмеримы с общей площадью сельскохозяйственных угодий. Их возникновению способствуют химизация почв, воздействие на угодья промышленных и бытовых отходов, механический износ используемых сельскохозяйственных орудий, выхлопные газы сельскохозяйственных машин и механизмов, эксплуатационные и технологические разливы топливно-смазочных материалов и их хранение в необорудованных складах. Около 30 % вносимых на поля пестицидов и минеральных удобрений поступают в водные объекты. Сброс загрязненных пестицидами вод с рисовых систем в Ростовской области, Краснодарском и Приморском краях приводит к загрязнению низовьев рек Кубани и Дона, озера Ханка. Источником агроаномалии остаются и крупные животноводческих комплексы, особенно свиноводческие, где для удаления навоза предусмотрен гидросмыв, а также птицефабрики. Большинство из них построены еще в 70-е годы, технологическое оборудование устарело и вышло из строя, а реконструкция и техническое перевооружение осуществляются крайне медленно. На значительных территориях вокруг таких комплексов происходит фильтрация жидкой фракции навоза в почву и грунтовые воды, образуются протяженные гидро геохимические аномалии.
Наиболее негативные воздействия на человека оказывают аномалии ртути, свинца, кадмия, фтора, таллия, бериллия, хрома, мышьяка.
Исследователи многих стран обращают внимание на так называемую "страшную троицу": ртуть, свинец, кадмий. Концентрации ртути влияют на иммунитет, расстройство половых функций, приводят к мутагенным последствиям. Избыток свинца вызывает интоксикацию, поражение центральной нервной системы, печени, почек, половых органов, разрушает красные кровяные клетки. Аномалии кадмия приводят к атеросклерозу, гипертонии, раку предстательной железы, распаду костных тканей.
фтор относится к элементам, для которых характерен относительно резкий переход от физиологически необходимых концентраций до вредных. Для фтора характерен один из самых высоких показателей глобальной деструктивной активности - почти как у Cd; выше он только у ртути. Много фтора попадает в окружающую среду с фосфатными удобрениями, пестицидами, с осадками отстойников и различными отходами горно-геологических предприятий. При определении экологического состояния территорий применяется такой биогеохимический показатель, как содержание F в укосах растений и растительных кормах (мг/сут): экологическое бедствие - при недостатке < 1 или при избытке > 200; чрезвычайная ситуация - 2-10 или 50-200; относительно удовлетворительная - 10-20 [27].
В ближайшем будущем прогнозируется резкое возрастание концентраций таллия и бериллия. Появление незначительных содержаний таллия в тканях и органах человека вызывает боли в сердце, суставах, выпадение волос; высоких - нарушение деятельности желудочно-кишечного тракта, галлюцинации, конвульсии и смерть от паралича легких.
Содержание бериллия над территорий Ладожского озера (чистый район) составило 0,6 мкг/м3, аномальные концентрации бериллия в Ленинградской зоне типичны для районов ТЭС (радиус 15 км) и достигали 8,0 мкг/м3 [27]. Поведение Be в техногенезе детально изучено для бериллиевых производств, которые весьма опасны в связи с чрезвычайно негативным воздействием этого элемента и его соединений на различные органы человека. Бериллий усиливает перерождение клеток, приводит к раку легких и остеосаркоме. Особенно опасны аварийные ситуации. Так, при возгорании бериллиевой пыли и взрывах на Ульбинском металлургическом заводе в 1994 г. пылегазовые выбросы, в 60-890 раз превышающие норму, распространились над большой территорией, на которой проживает около 120 тыс. жителей.
Горно-геологические добывающие бериллиевые предприятия, а также редкометалльные ГОК и месторождения, где получают Be попутно, экологическими исследованиями не охвачены, что является ближайшей задачей экогеохимии.
На состояние геологической среды и верхней части геологического разреза в первую очередь оказывают влияние природные экологически неблагоприятные экзогенные и эндогенные процессы. К первым относятся склоновые гравитационные процессы, формирующие подвижные и закрепленные осыпи, оползни, крип, разнообразные процессы, происходящие в областях развития многолетнемерзлых пород - в криолитозоне. Эти процессы экзогенной геодинамики создают поля развития неблагоприятных в экологическом отношении образований: крупнообломочных и щебенчатых отложений, скальных выходов и уступов и др.
Проявлениями экологически неблагоприятных эндогенных процессов являются зоны сейсмичности и сейсмоактивные разрывные нарушения, современный вулканизм и сопутствующая ему сольфатарно-фумарольная деятельность.
Экзогенные и эндогенные процессы часто взаимосвязаны друг с другом и причинно обусловлены. Так, землетрясения являются причиной опасных гравитационных процессов.
Гравитационные процессы выражаются в перемещении горных пород под действием силы тяжести из возвышенных участков рельефа в пониженные. Часто их называют склоновыми, так как они проявляются на склонах гор, крутых берегах морей, речных долин. Горные породы, находящиеся на поверхности земли в устойчивом положении, в ряде случаев легко могут быть выведены из состояния равновесия. Причиной нарушения равновесия могут служить землетрясения, подмыв склонов при боковой эрозии, абразии, работа подземных вод, антропогенная деятельность. Их движению способствуют также выветривание, перемещение воздушных масс и т.д.
Отложения, образующиеся в результате гравитационного перемещения, называют коллювием. Они состоят из разнообразных по размеру обломков горных пород: глыб, щебня, песков, алевритов, глинистых частиц. Современные коллювиальные отложения обычно рыхлые или слабосцементированные.
Гравитационные перемещения совершаются либо быстро, практически мгновенно (катастрофически), либо медленно. К ним относят провалы, обвалы, камнепады, оползни, осыпи.
Провалы возникают при наличии в горных породах подземных пустот, полостей, зон повышенной трещиноватости. Нависающие над этими полостями породы испытывают проседание и обрушение под действием силы тяжести. Провалы сводов подземных пустот часто происходят на глазах у людей.
Непосредственной причиной провалов часто являются землетрясения. Во время землетрясения 1868 г. в Чили в провальной котловине оказался город Кантакчи. Во время землетрясения 1862 г. в Прибайкалье под уровень вод озера Байкал опустился участок Цыганской степи площадью 100 км2, образовав залив Провал глубиной 8 м.
Часто случаются провалы в неглубокозалегающие карстовые пещеры, а также в заброшенные подземные горные выработки. В 1939 г. в Татарии возник Акташский провал. Свод карстовой полости провалился под тяжестью трактора, пахавшего поле. В результате образовалась "шахта" глубиной 52 м с овальным отверстием диаметром 4 м. Через 10 лет отверстие расширилось из-за обвалов до 30 м.
Вследствие провалов на поверхности образуются ямы, колодцы, котловины. Глубина последних бывает иногда огромна. Так, в Японии после землетрясения 1923 г. дно залива Сагами опустилось на 300 - 400 м.
Обвалы развиваются на отвесных и крутых склонах, параллельно которым закладывается система трещин бортового отпора. Под действием физического выветривания трещины расширяются. Часть пород, отделенная от коренного массива, отклоняется в сторону склона, а затем под действием силы тяжести опрокидывается на поверхность склона, распадаясь на отдельные обломки.
Наиболее грандиозные обвалы связаны с землетрясениями. Так, на Памире в 1911 г. обрушилась масса пород объемом 8 млрл т. Обломки перегородили р. Мургаб, образовав плотину высотой 600 м.
Разновидностью обвалов являются камнепады - отрыв и перемещение по склону вниз отдельных глыб и крупного щебня.
На крутых склонах, сложенных легко выветриваемыми породами, возникают осыпи - перемещающиеся по склону щебень и дресва, представляющие собой продукты физического выветривания.
Если склон сложен водоносными и водоупорными породами, то в результате гравитационного перемещения части склона образуются оползни. В оползневых перемещениях могут участвовать крупные блоки твердых пород (блоковые оползни), отдельные глыбы (глыбовые оползни), менее прочные, сильнотрещиноватые породы, рыхлые коллювиальные, делювиальные отложения, почвы.
Масса грунта, отделившаяся от склона и медленно сползающая вниз по наклонной поверхности скольжения (ложе оползня), часто сохраняет монолитность (рис. 5.4). Последним оползень отличается от обвала, при котором оторвавшаяся масса скатывается сразу, распадаясь при этом на отдельные обломки, рассеивающиеся часто на большое расстояние друг от друга.
Рис. 5.4. Продольный (вдоль оси) разрез оползня (по И.С. Рогозину)
Оползневые тела движутся по сравнению с обвальными значительно медленнее. Так, установлено, что крымские оползни перемещались в год на расстояние от 0,1 до 100 м. Это движение было неравномерным: фаза относительно быстрого движения сменялась медленными и даже длительного покоя.
Кроме ложа оползня выделяют также тело оползня - сползшую массу грунта, подошву оползня - его основание, нижний край, представляющий выход поверхности скольжения у подножия склона или близ него. Объемы оползневых тел достигают грандиозных размеров. В Дагестане известны оползневые тела объемом более 200 млн. м3, смещенные на 2 км.
Иногда масса оползня вследствие различных внутренних и внешних сопротивлений подвергается при сползании деформации. Поверхность оползня может приобрести неправильно- бугристый вид - образуются оползневые бугры. Если тело оползня сложено глинистой водоупорной массой, то в его западинах могут застаиваться атмосферные воды, образуя небольшие болотца в оползневых западинах. В местах развития оползней часто можно наблюдать очень характерное явление («пьяный лес»): стволы деревьев, произрастающих на оползневых буграх, приобретают различный наклон.
Активизация оползневого процесса может быть связана с боковой эрозией, абразией берегов. Дополнительные поступления воды в массив горных пород в период таяния снегов, ледников, после сильных и продолжительных дождей также активизируют процесс образования оползней. При землетрясениях возникают сейсмогенные оползни.
Деятельность человека вызывает появление антропогенных оползней. Это неумеренный полив расположенных по краю или вблизи водоразделов садов и огородов, спуск излишней воды по незакрепленным канавам, устройство поглощающих колодцев, образование вблизи верхнего края косогора и на водоразделе всякого рода естественных и искусственных скоплений воды (озерки, болотца, запруды, образуемые иногда железнодорожной насыпью, и т.д.) - вообще все, что может вести к обильному просачиванию воды в грунт и к усилению деятельности грунтовых вод при благоприятных гидрогеологических условиях.
В числе техногенных причин возникновения оползней также можно назвать следующие: подрезка склонов и устройство различных выемок; увеличение нагрузок на оползневые склоны в результате их застройки; уничтожение растительного покрова; активизация динамических нагрузок (удары, вибрация, работа транспорта и др.), разрыхление пород в связи с проходкой подземных выработок.
На Воробьевых горах, в Филях-Купцеве (Москва) массовые оползневые процессы отмечаются с периодичностью 9-11 лет. Активизация оползневых процессов зафиксирована здесь в 1962-63 гг., 1973-76 гг., 1983-1986 гг. Как раз на эти периоды приходятся и строительство филевской линии метро, и разрушение лифтовой галереи метромоста, который подрезает склон реки. Противооползневые мероприятия на правом, высоком (220 м) берегу Москвы-реки, которые все-таки здесь проводятся, замедлили оползневые процессы, но полностью их не предотвратили. Так, перемещения оползневых тел на Воробьевых горах отмечаются сегодня на протяжении 550-600 метров от бровки склона в сторону реки.
Оползни - бич национального хозяйства. В долинах рек это частое и широко распространенное явление. Обычно они приурочены к высоким правобережным склонам, нередко подмываемым жмущейся к ним рекой и сложенным часто из рыхлых песчано-глинистых отложений, переслаиваемых или подстилаемых водоупорными глинами. Особенно подвержено оползням высокое побережье Волги в пределах Горьковской, Ульяновской и Саратовской областей. Оползни известны также в долине р. Оки, в долинах Дона, Днепра (у Киева) и во многих других местах. Помимо речных долин оползни могут развиваться и на морских берегах (берега Черного моря у Одессы) или на береговых склонах (оползни Крыма, Черноморского побережья Кавказа). Оползни приводят к уничтожению сельскохозяйственных угодий, построек, мостов, дорог. В Саратове в 1884 г. оползнем на берегу Волги было уничтожено более 300 домов. Срочные дополнительные противооползневые мероприятия требуются в нижней части участка Коломенское (Южный округ, г. Москва), где по склону проложены две ветки действующих Чертановских канализационных коллекторов, аварийные выпуски которых предусмотрены в р. Москву. Разрыв коллектора диаметром 1400 мм уже имел место в конце 1978 г., что привело к загрязнению Борисовских прудов, куда на время ремонта коллектора был направлен сброс канализационных вод. Разрывы другой ветки коллектора диаметром 900 мм отмечались неоднократно. Построенные с опозданием (только в 1975 г.) и не в полном объеме противооползневые сооружения оказались неэффективными и потребовали осуществления дополнительных мер - сооружения в русле реки перед набережной упорной призмы шириной 30 м и длиной 400 м.
В декабре 2000 г. на севере Португалии, в 300 км от Лиссабона из-за оползня, вызванного проливными дождями, произошла крупная железнодорожная авария - сошел с рельсов пассажирский поезд. Погиб машинист поезда, пятеро из шестидесяти пассажиров получили ранения.
Помимо вышеописанных явлений существуют и медленные гравитационные перемещения дезинтегрированных отложений, называемые крипом.
Выделяют глубинный крип - перемещение материала в глубь Земли и склоновый крип - перемещение материала вниз по склонам. Крип обусловлен уплотнением рыхлых пород - лесса, глины на глубине; образованием на глубине разуплотненного вещества вследствие таяния и замерзания воды (криогенный крип) или откачкой подземных вод, нефти, газа и т.д. (антропогенный крип). В результате крипа на поверхности рельефа образуются плоские блюдцеобразные котловины, оголяются склоны, возникают холмистые нагромождения коллювия у подножий склонов.
В 1996 г. на севере Орловской области началась активизация «оползневых процессов», полоса которых правильной дугой проходила через города Волхов, Мценск, Знаменское, Новосиль и Хомутовский район. Однако, судя по описанию болховских оползней, здесь, по-видимому, шло интенсивное «всасывание» дезинтегрированного материала в большую котловину, связанное с антропогенным крипом. Летом 1999 г. вблизи болховских «оползней» можно было наблюдать постоянно осыпающуюся землю и даже слышать ее шуршание. К краю котловины местные жители подходить опасались - была опасность рухнуть вместе с осыпающейся землей прямо в глиняную жижу и утонуть в ней. На дне оползня образовались настоящие зыбучие пески, в которые, на глазах очевидцев, засосало бездомную собаку. Дома проваливались под землю с тихим скрипом, но очень медленно - так, что люди успевали покидать жилища. В результате крипа в г. Волхове было разрушено пять домов. Причин образования болховских «оползней» называлось много. Однако стоит заметить, что город в течение многих лет использовал подземные воды для местных нужд, до настоящего времени в городе действуют старинная водонапорная башня и водопровод времен Николая II.
Геологическая среда и особенно верхняя часть геологического разреза являются областью активной циркуляции подземных вод, чему способствуют пористость, трещиноватость и водонасыщенность горных пород. Подземные воды определяют возникновение разнообразных форм и явлений, влияющих на характер экосистем и хозяйственную деятельность человека. К таковым относятся в первую очередь различные карстовые и суффозионные формы, а также явления, протекающие в областях распространения многолетнемерзлых пород - криолитозоне.
Поверхностные карстовые формы образуются в тех случаях, когда растворимые горные породы - известняки, доломиты, мел, гипс, каменная соль — либо обнажаются на поверхности земли, либо неглубоко залегают под маломощным покровом рыхлых четвертичных отложений, контактирующих на глубине с водоупорными подстилающими породами (рис. 5.5). Циркулирующие на поверхности или внутри пород (по трещинам) воды, растворяют и уносят материал в виде раствора, нарушая связь между нерастворимыми или плохо растворимыми частицами. В результате возникают такие формы, как каровые поля, карстовые воронки и поноры, карстовые котловины, полья, колодцы, шахты и пропасти.
Каровыми полями называют обширные площади, покрытые карами - неглубокими (от нескольких сантиметровм до 1-2 м) углублениями рытвинообразной и дырообразной формы. Передвижение по ним очень утомительно и даже опасно.
Рис. 5.5. Идеальный карстовый массив (И.С. Щукан, 1064). Известняковая толща (A-AV) водоупорные породы (В-В); воронки и крупные провалы Р над подземными пустотами; а-а - зона вертикальной циркуляции вод; в-в - зона глубинной горизонтальной циркуляции вод; S - места выхода источников воды; М - мешкообразная долина реки; направление подземной циркуляции вод показано стрелками.
Карстовые воронки имеют различные формы (конические, чаше - и блюдцеобразные) и размеры, достигающие 20-30 м глубины и первых сотен метров в поперечнике. На дне воронок располагаются вертикальные, наклонные, реже горизонтальные ходы в виде щелей или колодцев - поноры. Иногда поноры образуются и непосредственно на поверхности в результате расширения стенок открытых трещин и узлов их пересечения. Через поноры поверхностные воды проникают в глубь пород.
Карстовые котловины - замкнутые понижения, возникающие в результате слияния карстовых воронок.
Наиболее крупные из них - полья занимают обширные площади в десятки и сотни км3, достигая глубины многих десятков и сотен метров. Полья образуются главным образом в карстовых странах Балканского полуострова, на Ионических островах, на острове Ямайка, в горных областях. Одно из наиболее крупных - Ливанское полье в Боснии (Балканский полуостров) занимает площадь 379 км3.
Карстовые колодцы, шахты и пропасти формируются в результате дальнейшего расширения и углубления понор. Когда колодцы и шахты достигают нескольких сотен метров в глубину, они приобретают вид грандиозных пропастей.
Поверхностные карстовые формы превращают территории в труднопроходимые местности, непригодные для проведения механизированных сельскохозяйственных работ и дорожного строительства. С этими формами связаны также периодически исчезающие озера, известные в Ивановской, Нижегородской, Вологодской и других областях. На дне таких озер располагаются карстовые воронки, поноры которых закупорены озерными осадками. Исчезновение озерных вод, вероятно, связано с всасыванием отложений в водопоглощающие поноры и с понижением уровня подземных вод.
Карстовые воронки на юге Московской области используются населением для осушения болот и сырых лугов путем прокладки от обводненных участков дренажных канав к ближайшим понорам. Исследования в Тульской области показали, что в лощинах с карстовыми провалами луговые угодья отличаются от лощин без провалов лучшими качествами: поглощение поверхностных вод провалами предохраняет луговые угодья от заболачивания и эрозии [32]. Однако часто население карстовых районов использует карстовые шахты и колодцы в целях захоронения трупов павших домашних животных или как места для свалки бытовых отходов, что приводит к загрязнению карстовых источников питьевой воды.
Подземные карстовые формы создаются подземными водами внутри растворимых горных пород. Они представлены в первую очередь карстовыми пещерами и каналами, широко развитыми в горах и равнинных областях. Пещеры состоят из системы горизонтальных, наклонных, вертикальных, часто ветвящихся каналов, переходящих в огромные залы и гроты. Причудливые очертания пещер и каналов обусловлены сочетаниями трещин и неоднородностью состава карстующихся пород.
Наличие подземных карстовых полостей вызывает на поверхности образование правильных воронок и пропастей.
Образование подземных карстовых пустот часто приводит к катастрофическим последствиям и явлениям. Основными из них являются: 1) просадки и провалы жилых зданий и хозяйственных сооружений, расположенных над подземными полостями; 2) деформации железнодорожного и автомобильного полотна, требующие переноса и восстановления значительных участков дороги; 3) утечки воды из искусственных водохранилищ; 4) обильные притоки карстовых подземных вод в горные выработки, используемые при разработке полезных ископаемых.
Очень важно в хозяйственной деятельности учитывать процессы, протекающие в областях распространения карстующихся пород. Пустые и унылые ландшафты известнякового карста горных стран Европейского Средиземноморья не всегда являлись такими.
Некоторые из этих территорий некогда были покрыты лесами, которые, замедляя и ослабляя поверхностный сток атмосферных вод, способствовали сохранности на крутых склонах почвенного слоя и коры выветривания коренных пород [32]. Истребление лесной растительности на склонах гор привело к усиленной эрозии в рыхлых поверхностных образованиях. Последние были смыты и унесены, частично в подземные пустоты, в результате обнажились известняковые породы. Поверхность известняков покрылась каровыми рытвинами, многочисленными карстовыми воронками и превратилась в пространства, совершенно непригодные для сельскохозяйственного использования. В лучшем случае эти территории могут служить лишь скудным пастбищем для скота.
Печальными примерами недоучета особенностей карстующихся пород могут служить плотины Мария-Кристина, Монт-Хаке и Камаразе в Испании, плотина Сен-Гильельм-ле-Дезер во Франции, плотина Хэлс-Бар на р. Теннесси в США и др. Эти плотины оказались совсем неспособными держать воду: ее так много терялось из-за фильтрации, что приходилось затрачивать большие средства на уплотнение грунта. Некоторые водохранилища из-за большой трещиноватости и водопроницаемости горных пород, слагающих берега, оставались совсем без воды. Иногда вследствие провалов кровли над подземными пустотами разрушению подвергались и сами плотины, удерживающие воду.
Зарегистрированы случаи деформации железнодорожного полотна и полной порчи его образовавшимися провалами над карстовыми подземными пустотами. Такие случаи отмечались в ряде мест на Московско-Курской, Пермской, Крымской ж.д. В 1927 г. из-за образовавшегося огромного провала объемом в 8000 м3 на Уфимском карстовом косогоре на длительное время было прекращено движение поездов и потребовались большие восстановительные работы [33].
В Москве незначительные провалы в карстовые полости периодически происходят под фундаментами жилых домов (Хорошевское шоссе, Новохорошевский проезд) и на проезжей части дорог (ул. Куусинена -1973 г., проспект Маршала Жукова - 1996 г.), а также неподалеку от промышленных предприятий. Глубина провалов достигает 5-8 метров, а иногда и больше. Существуют подземные карстовые пустоты в районе ТЭЦ-16, хладокомбината № 7, использующего в производстве цинк и аммиак. Аварии на подобных предприятиях чреваты экологическими катастрофами.
В 80-е г. при строительстве новых домов в особо опасных районах решили устанавливать противокарстовую защиту - перекрывали сильно закарстованные участки сплошной железобетонной плитой. Это сняло часть проблем. Так, в мае 1987 г, на улице Маршала Тухачевского вблизи дома № 17 появилось воронкообразное углубление с рваными краями диаметром 15 м и глубиной около 2 м. Однако, благодаря такой защитной плите, дом не получил повреждений.
Приток подземных вод из водоносных карстовых горизонтов в подземные выработки (шахты, штольни), нередко внезапный прорыв вод могут угрожать жизни шахтеров. Классическим примером этих неприятных явлений может служить Кизеловское каменноугольное месторождение на Урале, где разрабатываемый пласты угля залегают под закарстованными известняками и доломитами.
Суффозионные западинные формы рельефа образуются в основном в рыхлых песчано-глинистых и лессовых толщах, из которых происходит значительный механический вынос подземными водами твердых частиц. Материал переносится в подстилающие закарстованные горные породы, в результате чего на поверхности возникают провальные формы, напоминающие карстовые, - суффозионный карст (такие образования еще называют ложным карстом, псевдокарстом). Механический вынос твердых частиц циркулирующими по трещинам водами играет главную роль в образовании подобных полых форм. Этому процессу подвергаются породы в основном обломочного происхождения: песчаники, конгломераты, брекчии, глинистые породы. На выходах подземных вод на склонах речных долин образуются небольшие полукруглые выемки - суффозионные цирки.
Суффозионные процессы в определенной геологической обстановке активизируются при прорыве залегающих на глубине водопроводных, канализационных, тепловых коммуникаций. Образующиеся при этом пустоты приводят к возникновению провалов, наносящих значительный материальный ущерб и приводящих к техногенным катастрофам. Так, ночью 14 мая 1998 г. в Москве, на ул. Б. Дмитровка, в результате прорыва водопроводной трубы возникла провальная суффозионная воронка, куда оказались затянутыми легковой автомобиль марки "Джип" и часть жилого дома. Только случайно обошлось без человеческих жертв.
Криогенные (мерзлотно-геологические) процессы широко проявляются в криолитозоне, характеризующейся мерзлым состоянием горных пород из-за присутствия в них льда. Лед заключен в порах и трещинах. Область постоянно мерзлых горных пород и грунтов (криолитозона) приурочена к высоким заполярным и субполярным широтам обоих полушарий (рис. 5.6, 5.7).
Рис. 5.6. Карта распространения многолетней мерзлоты
в Северном полушарии:
1 - зонa с плотного распространения постоянно мерзлых грунтов;
2 - зона прерывистого распространения постоянно мерзлых грунтов;
3 - зона спорадического распространения постоянно мерзлых грунтов |И.С. Щукин, 1964|
Рис. 5.7. Карта распространения многолетнемерзлых пород (ММП) на территории России и сопредельных стран ( К А. Кондратьева, 1976):
1 - зона редкоостровного, островного и массивно-островного распространения ММП со среднегодовыми температурами (tcp) от -3 до -1 °С и мощностью (М) мерзлой толщи от 0 до 100 м; 2-5 зона сплошного распространения МУГП: 2 - tcp от -1 до -3 °С, М от 50 до 300 м; 3 - tcp от -3 до -6 °С, М от 100 до 400 м; 4- tcp от -5 до -9 °С, М от 200 до 600 м; 5 - tcp ниже -9 °С, М от 400 до 900 м и более, 6 -граница зон ММП; 7 - южная граница криолитозоны.
В Северном полушарии, где широко развиты пространства суши и обусловленные этим континентальные условия климата, она простирается далеко к югу, захватывая не только таежную зону, но и проникая отчасти даже в зону степей (Забайкалье и Монголия). Данные бурения шельфа моря Лаптевых и Бофорта свидетельствуют о том, что многолетнемерзлые породы развиты под большим слоем воды и осадков на удалении от берега 50-80 км [29].
Выше многолетнемерзлых горных пород залегает поверхностный слой, промерзающий зимой и оттаивающий летом, который называется деятельным слоем. В весенне-летнее время он оттаивает на глубину от нескольких см до 1,5-2 м. Летом деятельный слой целиком насыщен водой или содержит воду над постоянно мерзлыми слоями (вечной мерзлотой), являющимися по отношению к ней водоупором. Это так называемые надмерзлотные воды. Мощность деятельного слоя имеет большое практическое значение при возведении различных построек в районах многолетней мерзлоты и при учете сельскохозяйственных возможностей территорий.
Осложнения при всякого рода строительствах на мерзлых грунтах заключаются в деформациях поверхности, возникающих из-за нарушения температурного режима грунтов и фазовых изменений содержащейся в них влаги, приводящих к изменению объема грунтов. Другие трудности возникают в связи с водоснабжением населенных пунктов, поскольку подземные воды находятся здесь большей частью в мерзлом, а значит, в неподвижном состоянии.
Под толщей многолетнемерзлых пород циркулируют подмерзлотные напорные воды, находящиеся вне сферы влияния климатических условий. В толще вечной мерзлоты в виде линз могут залегать также межмерзлотные и внутримерзлотные воды, образование которых связано с неравномерным распределением температур в самих многолетнемерзлых породах.
Участки талого грунта, к которым они приурочены, носят название таликов. Ограниченные по протяженности талики развиты под более многоводными реками и большими и глубокими озерами, а также в местах выхода на поверхность подмерзлотных вод в виде источников. Многолетнемерзлая толща в местах развития таликов оказывается как бы разорванной. Талики имеют большое гидрогеологическое значение, так как через них происходит взаимосвязь поверхностных и глубинных вод. Межмерзлотные и внутримерзлотные воды могут так же, как и подмерзлотные воды, приобретать напорные свойства. Напор обычно возникает осенью и зимой во время промерзания деятельного слоя и таликов, когда участки, насыщенные водой, постепенно сжимаются замерзающими и увеличивающимися в объеме окружающими грунтами.
К наиболее неблагоприятным в экологическом отношении криогенным процессам относят термокарст, образование наледей и бугров пучения, солифлюкцию.
Термокарст (т.е. температурный карст) представляет собой процесс таяния подземных льдов или рыхлых пород, насыщенных льдом, сопровождающийся проседанием и провалами поверхности земли и образованием отрицательных форм рельефа. В результате образуются термокарстовые понижения в виде "блюдец" протаивания, западин и котловин, часто округлой формы и глубиной от 8-12 до 20-30 м,
В случае существования поверхностного стока воды, образующейся при вытаивании льда, возникает сухое термокарстовое понижение и процесс вытаивания подземных льдов приостанавливается. Он может эпизодически возобновляться в наиболее теплые годы.
При отсутствии стока в понижениях возникают термокарстовые озера. Вода такого озера, благодаря относительно высокой температуре, способствует дальнейшему развитию процесса и приводит к прогрессирующему углублению озера.
Наледи (якут. – «тарын») образуются в зимнее время, при господстве сильных (до -30, -40 °С) морозов, в результате многократного излияния на поверхность речных, надмерзлотных и межмерзлотных вод и их послойного промерзания. Описываемое гидрологическое явление широко распространено с Восточной Сибири и на Дальнем Востоке. Название «наледь» относится не только к самому процессу излияния воды, но и к сформированной ледяной массе. Крайне распространены речные наледи, образование которых сопровождается постепенным промерзанием рек. Сужение живого сечения русла приводит к возникновению значительного напора подледной воды, которая, находя ослабленные участки, прорывается на поверхность и растекается по ней. Такой прорыв речных вод сначала снижает напор, но продолжающееся промерзание и дальнейшее сужение русла реки могут вызвать новый прорыв воды на поверхность.
Кроме того, возникновение ключевых наледей может быть связано и с излияниями напорных надмерзлотных и подмерзлотных вод. При замерзании деятельного слоя незамерзшая вода, заключенная между многолетней мерзлотой и уже промерзшей верхней частью слоя, приобретает напор, в результате чего она вырывается на поверхность и образует ключевую наледь. Наледи из подмерзлотных вод, имея постоянный источник питания (восходящие источники), действуют и растут в течение всей зимы и могут достигать огромных размеров.
Огромными ключевыми наледями, питаемыми мощными выходами подмерзлотных вод, изобилуют верховья р. Индигирки. Гигантские наледи ключевого происхождения известны также на севере Аляски. Подавляющее число ключевых наледей образуется на «солнцепеке», т.е. на склонах южной экспозиции.
Толщина наледей колеблется от десятков сантиметров до 7-10 м. Площадь их может занимать десятки квадратных километров. Летом большинство наледей растаивает, но некоторые, наиболее мощные, сохраняются все лето до следующей зимы. Примечательно, что поздно тающие наледи, оказывая охлаждающее влияние на прилегающие слои воздуха, создают над наледью и на небольшом расстоянии за ее пределами особый микроклимат: развитие растительности здесь задерживается, и все фазы жизни растений - цветение, плодоношение, созревание семян - запаздывают. Деятельность человека очень часто становится причиной образования наледей даже там, где они в естественных условиях не могли бы возникнуть. Всякая постройка в зоне многолетней мерзлоты способствует утеплению грунта, который не промерзает в зимнее время. Тем самым создаются места для прорыва на поверхность находящихся под напором поземных вод. Следствием является излияние этих вод и образование наледи в подвальных и нижних этажах жилых и хозяйственных помещений, сопровождающееся разрушением полов и даже стен в постройках. Внезапные прорывы наледных бугров могут причинить серьезные ушибы и ранения и даже вызвать смерть людей, случайно оказавшихся возле такого бугра. Для предупреждения прорыва иногда прибегают к проламыванию свода наледного бугра, из которого фонтанами начинает вырываться вода.
Особенно большие помехи создают наледи для транспорта. В узких долинах, заливаемых наледной водой во всю ширину, при образовании наледи, пока вода еще не промерзла, проезд часто бывает совершенно невозможен: выступившая вода, смешанная со снегом, намерзает на ногах лошадей, на полозьях саней и пр. Замерзшая наледь своей бугристой и скользкой поверхностью создает большие трудности для передвижения. Наледь, возникшая на полотне железной дороги, может совершенно перекрыть рельсы. Речные наледи, возникающие вблизи мостов и других сооружений, угрожают им разрушением и т.д.
Бугры вспучивакия (бугры пучения). Не всегда при начавшемся зимнем промерзании грунта напорные воды водоносного горизонта выходят на дневную поверхность. Часто они, не найдя выхода на поверхность, приподнимают и вспучивают в виде бугра верхний мерзлый слой почвы и грунта, образуя так называемые бугры грунтовых наледей. Бугры грунтовых наледей образуются также и при сезонном промерзании влажных или насыщенных водой пород таликов. Рост бугра в высоту продолжается, постепенно замедляясь, до тех пор, пока сопротивление приподнятых слоев нe уравновесит напор поступающей воды. Часто из бугра через трещину в его вершинной части вырывается фонтан воды, которая, разливаясь, замерзает вокруг бугра в виде наледи. Бугры грунтовых наледей разрушаются в ближайшее лето при таянии их ледяного ядра.
В Сибири и в Северной Америке известны также многолетние бугры вспучивания - гидролакколиты («булгунняхи» якутов, «пинго» эскимосов) - с ледяным ядром, из которых излияния воды на поверхность не происходит. Увеличение их объема при образовании льда также приводит к поднятию поверхностного слоя. Последующие промерзания в течение ряда лет формируют крупные гидролакколиты в форме округлых или овальных куполообразных холмов с довольно крутыми (40-50°) склонами и слегка приплюснутой вершиной, с ледяными ядрами. Такие холмы часто поднимаются среди идеально равнинных пространств тундры. Размеры гидролакколитов достигают 100-200 м в поперечнике и 30-60 м высоты. Они характеризуются продолжительным существованием: их рост длится десятки и, может быть, сотни лет, и также медленно происходит их разрушение.
Негативные последствия, связанные с образованием и ростом в грунтах криогенных трещин и наледных бугров проявляются спустя несколько лет после начала их роста. Так, например, деформация дорожных и аэродромных покрытий вследствие растрескивания расчищаемых от снега поверхностей и роста в трещинах жильного льда начинается через 5-7 лет после появления самих трещин. Изучение процесса криогенного растрескивания и образования наледных бугров проводилось в 1986-1990 гг. на аэродроме пос. Амдерма (северо-восток Европейской части СНГ). Первоначально ровная поверхность бетонного покрытия взлетно-посадочной полосы за 30 лет службы аэродрома была вся разбита сетью криогенных трещин, а растепление многолетнемерзлых пород нарушило гидрологический и гидрогеологический режимы грунтов. В Якутске, массовая застройка которого проходила в 60-70-е гг., сегодня разрушаются («плывут») фундаменты многих зданий.
Солифлюкцией называют процесс медленного оплывания и вязкого течения на склонах деятельного слоя.
Солифлюкция имеет характер простого вязкого течения переувлажненных поверхностных образований глинистого состава, происходящего под непосредственным действием силы тяжести. Скорость солифлюкционного перемещения пород вниз по склону достигает нескольких сантиметров в год. Развитию солифлюкции способствуют супесчано-суглинистые отложения, их высокая влажность и уклоны поверхности рельефа от 3 до 15о, обеспечивающие течение увлажненных пород. В ходе солифлюкции происходит формирование из стекающей толщи солифлюкционных потоков (языков) различной протяженности и ширины, а также солифлюкццонных террас. В результате солифлюкции склоны гор приобретают весьма своеобразный вид - на их поверхности образуются гирлянды из хаотично расположенных фестончатых оплывших уступов, которые очень затрудняют в маршрутах продвижение к водоразделу.
С горных склонов значительной крутизны (до 40-45°) происходит перемещение и беспорядочное нагромождение глыбового каменного материала, как правило приуроченное к днищам небольших ложбин. Каменные россыпи - грубые продукты физического выветривания покрывают более пологие участки склонов в виде «каменных морей» на больших пространствах или же спускаются по крутым склонам вниз в виде отдельных полос - «каменных рек», «каменных потоков». Такие каменные потоки называют курумами (тюрк.). Длина курумов колеблется от десятков метров до 1-1,5 км.
Образованию и движению курумов способствуют физическое, преимущественно морозное выветривание скальных пород, последующее выбывание щебнисто-дресвяного материала, заполняющего промежутки между крупными глыбами, и замерзание воды в образовавшихся пустотах в виде гольцевого льда. При подтаивании гольцевого льда происходит переувлажнение подстилающих пород, что может вызвать перемещение всей массы глыб.
Любые хозяйственные мероприятия, проводимые в криолитозоне, нарушают установившийся режим вечной мерзлоты и приводят к оттаиванию многолетнемерзлых пород и возникновению разжиженных масс грунта. Это в свою очередь вызывает деформацию сооружений, вплоть до их полного разрушения.
Растепление миоголетнемерзлых пород происходит также в процессе бурения скважин. В результате таяния подземных льдов породы вблизи скважины переходят в вязкотекучее состояние. В стволе скважины образуются крупные полости, учащаются обвалы пород, что обусловливает частые аварийные ситуации.
В пределах арктического шельфа встречаются мерзлые породы, залегающие непосредственно у поверхности океанического дна. Транспортировка теплой нефти или газа по трубопроводам может вызывать оттаивание медальонов многолетней мерзлоты, что в свою очередь, приведет к неоднородным просадкам дна и неравномерным деформациям самих трубопроводов. Вредные последствия этого процесса для окружающей среду очевидны, значительны затраты на восстановительные работы под водой.
Основными эндогенными геологическими процессами, изменяющими характер экосистем и влияющими на хозяйственную деятельность людей, являются вулканизм, землетрясения и современные (голоценовые) тектонические движения. При этом первые два процесса относятся к катастрофическим, протекающим достаточно быстро, практически мгновенно.
Области проявления современной вулканической деятельности и сейсмической активности густо заселены, что определяет их экологическое значение. К таким областям относятся в первую очередь Средиземноморье, Японский, Индонезийский и Филиппинский архипелаги, Индокитайский полуостров, Центральная Америка, Тихоокеанское побережье Северной и Южной Америки и некоторые другие районы.
Вулканизм представляет собой совокупность процессов, связанных с извержениями на поверхность Земли, в атмосферу и гидросферу разнообразных продуктов вулканической деятельности. Вулканические процессы сопровождаются образованием геологических тел и форм рельефа, сложенных вулканическими горными породами.
Вулканические процессы – одно из наиболее ярких и мощных проявлений геологической жизни Земли; проявляются в форме извержения раскаленной магмы, пепла, вулканических газов, паров воды из недр по трещинам и каналам на земную поверхность, дно морей и океанов. При этом образуются вулканические конусы (вулканы), кальдеры, лавовые потоки, пемзовые покровы. Широко известны такие явления, сопровождающие вулканизм, как гейзеры, термальные источники.
Вулканизм известен с самых ранних этапов геологического развития Земли. На современном этапе вулканические извержения сосредоточены в геосинклинальных поясах – Средиземноморском, Тихоокеанском, в пределах островных дуг и срединно-океанических хребтов.
Экологические последствия извержения наземных вулканов многообразны и часто трагичны. Потоки лавы с температурой до 1000-1200 оС сжигают все живое на своем пути, вулканический пепел и бомбы (раскаленные куски лавы) разрушают постройки. При извержениях пепел способен подниматься в высокие слои атмосферы и тропосферу на 45-50 км и разноситься на сотни и тысячи километров. Объем выброшенного обломочного материала может достигать нескольких кубических километров.
Пепловые извержения нарушают атмосферные равновесия и вызывают опасные побочные явления – сильные ливни и грозы, селевые потоки, способные разрушить инженерные сооружения, уничтожить растительность и животных.
Извержения вулканов почти всегда сопровождаются землетрясениями различной силы, иногда разрывами земной коры, нарушениями вблизи очага всех природных геофизических полей, выделениями разнообразных эманаций, которые могут оказаться гибельными для человека и животных.
При извержении Везувия, расположенного на юге Италии, в 79 г. н.э. были полностью засыпаны раскаленным пеплом и погибли города Помпеи и Геркуланум.
В Восточной Африке в пределах Восточно-Африканской рифтовой системы, где находятся условно потухшие вулканы типа Килиманджаро и более 40 действующих, была обнаружена “Долина смерти”, где животные погибают от скоплений выделяющихся вулканических газов СO2, CO, H2S, CH4, H, HCl и недостатка кислорода.
Сравнительно кратковременные извержения вулканов сменяются длительными периодами поствулканической деятельности. В кратерах и на склонах действующих вулканов формируются термальные источники разнообразного состава, на фумарольных полях образуются месторождения самородной серы, гидротермальные рудные месторождения. После извержения вулканов районы снова заселяются людьми, так как на вулканических породах образуются плодородные почвы.
На самом юге европейской части России, в центральной части Главного Кавказского хребта, находится условно потухший двухвершинный вулкан Эльбрус – высочайший горный массив Кавказа, сохранивший свою внешнюю форму. В его пределах проявляется поствулканическая деятельность преимущественно в форме термальных углекислых минеральных источников. Район отличается повышенной сейсмической активностью.
На территории европейской части России известны проявления древнего палеозойского и мезокайнозойского вулканизма – в форме трубок взрыва, в том числе алмазоносных (Архангельская обл.), потенциально рудоносных и безрудных вулканических образований, гидротермальных месторождений молибдена, ртути, вольфрама, мышьяка (Главный Кавказский хребет).
Слои вулканического пепла обнаружены в четвертичных отложениях южных и центральных районов России. Проявления древнего вулканизма влияют на химический состав подземных вод, взаимодействующих с вулканогенными породами, обогащая их ртутью, мышьяком, бором и другими элементами.
Режим, т.е. периодичность извержений вулканов, даже тех, которые давно наблюдаются людьми, остается во многом неразгаданной тайной. Действующими считаются вулканы, извержения которых хотя бы один раз отмечены за последние 3500 лет. Их общее число на земном шаре – 947. Основные вулканы уже известны, новые вулканы иногда рождаются как подводные, образуя острова в морях и океанах. Точно предсказать место и время очередного прорыва лавы в пределах вулканической постройки достаточно трудно.
Прогноз вулканических явлений основывается на анализе длительного режима сейсмических событий в районе, наблюдениях за активностью выбросов пепла и газов, уровнем, составом и температурой водоисточников в периоды затишья.
Таким образом, геологическая среда, представляющая собой базис для функционирования всего живого на Земле и, в первую очередь, для успешного развития человеческого общества, является объектом воздействия большого комплекса природных и техногенных факторов. Это обусловливает неравновесное состояние геологической среды как системы, эволюция которой происходит под воздействием как природных, закономерно развивающихся процессов, так и различных антропогенных вмешательств.
Основные экологически неблагоприятные последствия создают современные вулканические извержения. За исторический период зафиксировано около 1000 действующих вулканов, 90 % их общего количества сосредоточено в Тихоокеанском, Средиземноморско-Индонезийском и Атлантическом вулканических поясах. Остальные 10 % находятся за их пределами. К ним относятся вулканы Африки, островов Индийского океана, островные и подводные вулканы Пацифики (рис. 5.8).
Рис. 5.8. Схема географического расположения вулканов:
1 - Тихоокеанский вулканический пояс; 2 - Средиземноморско -Индонезийский пояс, 3 - егo возможное продолжение в Тихом и Атлантическом океанах; 4 - Атлантический пояс; 5 - Контур Атлантического срединно-океанического хребта и рифтов; 6 - Африканский рифтовый пояс; 7 - вулканические площади и отдельные вулканы континентов и островов;
8 - вулканы на дне океанов; 9 - отдельные вулканы.
1 - Шивелуч, 2 - Ключевская Сопка, 3 - Толбачик, 4 - Крашенинникова, 5 - Карымский, 6 - Ававчинский, 7 - Ксудач, 8 - Менделеева, 9 - Бандайсан, 10 - Фудзияма, 11 - Эребус, 12 - Сангай, 13 - Чимборасо, 14 - Котопахи, 15 - Ицалько, 16 - Попокатепетль, 17 - Парикутин, 18 - Лассен-Пик. 19 - Катмай, 20 - Вулькано, 21 - Везувий, 22 -Стромболи, 23 - Этна, 24 - Санторин, 25 - Кракатау, 26 - Мерапи. 27 -Келуд, 28 - Семеру, 29 - Агунг, 30 - Батур, 31 - Тамбора, 32 - Ян-Майен, 33 - Гекла, 34 - Лаки. 35 - Нирагонго, 36 - Килиманджаро, 37 - Килауэа. 38 - Мауна-Лоа, 39 - Фалькон, 40 - Мон-Пеле, 41 – Суфриер.
Более древние погасшие вулканы влияют на экосистемы опосредованно, в связи с разработкой различных месторождений полезных ископаемых, генетически связанных с вулканической деятельностью,
Характер экологического воздействия современного вулканизма во многом определяется продуктами вулканической деятельности, в зависимости от которых все вулканы подразделяются на три большие группы: лавовые или эффузивные, газово-взрывные вулканы и вулканы смешанного типа.
Лавовые вулканы (эффузивные) распространены на океанических островах и на активных континентальных окраинах, где они приурочены к зонам глубинных разломов.
Основными продуктами их извержений являются подвижные базальтовые лавы, в меньшей степени рыхлая тефра и газы. Излияния лав происходят либо из зияющих трещин, либо из расположенных на них изолированных жерловин, либо через широкий трубообразный канал. В последнем случае образуются щитовые вулканы, в кратерах которых возникают кипящие лавовые озера с температурой лав на поверхности озер 1000-1300 0С. Скорость перемещения лавовых потоков на склонах подобных вулканов достигает 25 км/ч.
Такие вулканы наблюдаются в Исландии, Японии, Новой Зеландии, Восточной Африке, на Гавайях, Камчатке, островах Самоа.
Извержение вулкана Гекла (1947 г., 29 марта - 1948 г.) в Исландии сопровождалось в начальную стадию наводнением, обусловленным таянием снега. Общий объем водного потока составил 0,0032 км3. Тефра, выброшенная 29 марта, покрыла Исландию на площади 3130 км2. Начальную стадию также сопровождали подземные толчки. Взрывы были слышны по всей стране. Спустя 8 часов после начала извержения в основном извергалась лава со средней скоростью 1560 м3/с. Количество извергнутой лавы оценивается от 0,4 до 0,8 км3 на площади 25 км2, Образовавшаяся при извержении окись углерода, отстоявшаяся на равнинах и в депрессиях, погубила много животных и птиц [20]. В Восточно-Африканском вулкане Нирагонго до настоящего времени сохраняется кратерное жидкое лавовое озеро размером 100 300 м2.
Газово-взрывные вулканы извергают огромные количества газа, пара, вулканического пепла. Излияний лав почти не происходит, либо лава среднего и кислого состава в сравнительно небольших объемах выжимается из кратера в виде экструзивных куполов.
Извержения сопровождаются взрывами и появлением раскаленных газово-пепловых облаков, представляющих собой суспензию мельчайших капелек жидкой лавы в газовом облаке. Энергия взрывов столь велика, что в результате происходит разрушение значительной части вулканической постройки. Твердые продукты извержений обычно сильно раздроблены и представлены пеплом.
Вулканы этой группы пользуются наибольшим распространением. Количество жертв газово-взрывных извержений обычно наиболее велико. Вот только два примера событий, связанных с газово-взрывной вулканической деятельностью, которые потрясли весь мир.
При извержении вулкана Тамбора на о. Сумбава в Индонезии погибло более 90 тыс. человек. 1 апреля 1815 г. в 22 часа в Баньюванги (о. Ява) в 300 км от вулкана раздалась канонада, напоминавшая отдаленные раскаты грома. Время от времени она повторялась до 9 часов утра 2 апреля. Утром 3 апреля начался слабый пеплопад. 5 апреля взрывы стали раздаваться каждые 15 минут, все более усиливаясь. Грохот их стал слышен в 1800 км от вулкана.
Кульминация извержения наступила 10 апреля. Над вулканом появился колоссальный газовый столб, насыщенный пеплом, достигший высоты 70-80 км. В течение трех суток на расстоянии 500 км (о. Мадура) установилась непроницаемая мгла. В 1100 км от вулкана наблюдались интенсивные пеплопады.
В Срабайе на о. Ява, в 425 км от вулкана, воздушные волны вырывали с корнями деревья, разрушали стены домов, опрокидывали людей и животных.
Живописный о. Сумбава, в центре которого находился вулкан Тамбора, имеющий протяженность 275 км, превратился в пустыню. Обломки горных пород диаметром до 15 см разносились взрывами на расстояние до 40 км. Под тяжестью выпавших обломков разваливались здания, На о. Сумбава 10 000 человек было убито и 3800 умерло от болезней. Из всего населения этого острова уцелело всего 26 человек.
На соседнем о. Ломбок, расположенном в 150-250 км от вулкана, выпал пепел слоем 0,6 м. На этом острове было убито 2 человека, а от болезней и голода умерло 44 000 человек - почти все население погибло. Общее число погибших на этих островах составляет 92000 человек (по другим подсчетам 56 000 и 57 925 человек). Кульминация извержения пришлась на 11 и 12 апреля.
В результате извержения вся верхняя часть двухвершинного вулкана, имевшего высоту 4000 м, исчезла. Его новая абсолютная высота составила лишь 28,51 м. Образовалась кальдера диаметром 6 6,5 км и глубиной 600-700 м. Было извергнуто, по разным подсчетам, от 30 до 300 км3 вулканогенного материла.
Имеется много сведений о замечательных закатах солнца и окрашенных сумерках в Европе (Лондон) с 15 апреля и вплоть до конца 1815 г. Часть побережья возле вулкана опустилась так, что на месте бывшей суши появились глубины 5-6 м. Извержение сопровождалось цунами, которое в районе о. Сумбава достигало 3,5 м [20].
Во время извержения вулкана Мон-Пеле (высота около 1350 м) на острове Мартиника огненное облако погубило 30 тыс. жителей г. Сен-Пьер. Почти мгновенно был уничтожен один из наиболее крупных и красивых городов Малой Антильской дуги. Вулкан не пользовался особым вниманием, так как было известно, что со времен колонизации острова французами (1635) произошло всего лишь два очень слабых извержения с кратковременными выбросами пепла в 1851 г.; они не вызвали тревоги и вскоре были забыты. Берег озера, расположенного в пологом понижении на вершник вулкана, служил популярным местом отдыха для жителей города [25].
Первое предупреждение о возобновлении вулканической деятельности было получено 2 апреля 1902 г., когда в верховьях р. Белой, стекающей со склонов вулкана, была отмечена деятельность фумарол (рис. 5.9). Впрочем, еще за три месяца до извержения у подножия вулкана ощущался запах сероводорода.
Во второй половине апреля он усилился до такой степени, что временами приходилось дышать через мокрый платок. 23 апреля на улицах города наблюдался слабый пеплопад и был слышен резкий запах сернистого газа. Проявлялись также слабые толчки землетрясений. 25 апреля пепел, подобно снегу, покрыл тонким слоем улицы города.
Туристы, посетившие вершину вулкана, отметили, что на дне кратера образовалось озеро поперечником около 200 м, с температурой воды около 37 °С и возник небольшой шлаковый конус высотой около 10 м. Из его верхушки поднимался столб пара. Местная газета 3 мая писала: «Пепловый дождь идет не переставая. Езда экипажей по улицам прекратилась. Колеса утопают (в пепле)». Были отменены экскурсии на вершину вулкана. Из окрестных селений встревоженные люди стали собираться в город, население которого увеличилось на несколько тысяч.
5 мая в устье р. Белой стремительно текущим горячим грязевым потоком был разрушен сахарный завод в 3 км к северо-востоку от города. Около 30 рабочих погибло в бурлящем потоке - только одиноко торчащая труба напоминала о заводе.
6 и 7 мая деятельность вулкана усилилась, звуки взрывов были слышны даже на соседних островах. Газета писала: «Пеле не более опасен для Сен-Пьера, чем Везувий для Неаполя». Несмотря на это, началось массовое бегство из города в Фор-де-Франс и на соседний о. Сент-Люсия.
Над вершиной Пеле клубились плотные тучи, озаряемые вспышками молний и багровыми отблесками из кратера. По склонам вулкана стекали потоки грязи, перемещавшие многочисленные глыбы.
Утром 8 мая 1902 г. в 7 ч 50 мин произошли четыре оглушительных взрыва и прямо вверх из кратера взвились черные тучи, сопровождавшиеся сверкающими молниями. Следующий взрыв был латеральным (боковым), или направленным, и вызвал появление потока раскаленного воздуха, насыщенного тонко раздробленным материалом - пеплом и песком. С ураганной скоростью поток ринулся вниз по склону и в течение 2-3 мин (некоторые указывают 2-3 с) достиг Сен-Пьера и обрушился в море.
В 7 ч 52 мин часы на башне военного госпиталя остановились, отметив время гибели 30 000 жителей города и его окрестностей. Город был охвачен пламенем. Вспыхнули огромные цистерны со спиртом на ромовых заводах и бочки с ромом на пристани. В огне пожара погибли все, кто уцелел от взрыва. Огненный вихрь бушевал настолько сильно, что только через два-три дня можно было предпринять поиски пострадавших и погребение жертв. Вид города был ужасен: со всех домов сорваны крыши, почти все дома превратились в развалины, стальные балки измяты, каменные стены до метра толщиной опрокинулись как картонные и разрушились. Шестидюймовая пушка была сброшена с постамента, статуя массой 3 т переместилась почти на 20 м, столетние деревья были вырваны с корнями.
В бухте Сен-Пьера было перевернуто 15 парусных шхун, на которых погибли все люди. На двух небольших пароходах, стоявших на рейде, были повреждены палубные надстройки и произошли пожары. На одном из них были снесены стальные мачты, многие члены экипажа и пассажиры были убиты или обожжены. Только четыре человека были извлечены из-под развалин Сен-Пьера. Двое из них вскоре умерли, двое остались живы, несмотря на полученные ожоги. Портового грузчика Огюста Ципариса, находившегося в заключении в одиночной полуподземной тюремной камере, нашли через четыре дня после извержения.
В камере было только небольшое узкое отверстие в верхней части двери. Ципарис сообщил, что 8 мая, когда он ожидал утренний завтрак, внезапно наступил мрак, одновременно он почувствовал сильный жар. Это продолжалось мгновение, затем в камеру проник раскаленный пепел. Открытые части его тела и спина под рубашкой подверглись сильным ожогам. Кроме него, спасся сапожник Леон Компере, который в момент взрыва сидел на ступеньках своего дома, защищенного со стороны вулкана обрывом. Во время прохождения горячего урагана он почувствовал кратковременное удушье и сильный жар; открытые части его тело как бы обварило горячим паром.
Температура воздушного потока превышала 650-700 °С (стекло подвергалось размягчению). Большинство людей погибло мгновенно из-за вдыхания горячего воздуха и удушья. Граница области распространения взрывной волны была очень резкой. Так, два человека, ехавшие в экипаже на расстоянии 5,5 км к югу от вулкана, остались живы (хотя экипаж перевернулся, а их оглушило и обожгло), тогда как люди, находившиеся в 10 м сзади экипажа, - погибли. Общие очертания области, охваченной взрывом, показаны на рис. 5.9.
Рис. 5.9. Карта района вулкана Пеле по Лакруа (Lacrols, 1904) толстой линией показана граница области направленного взрыва 8 мая 1902 г. [25]
После 8 мая извержения вулкана Пеле продолжались в течение нескольких месяцев. Одно из них (20 мая), подобное наблюдавшемуся 8 мая и равное ему по силе, довершило разрушение Сен-Пьера. 30 августа область, захваченная взрывами, затронула только северную окраину Сен-Пьера. Однако был уничтожен и частично разрушен ряд деревень, в том числе Морн-Руж, откуда многие наблюдали взрыв 8 мая (см. рис. 5.9). Погибло еще 2000 человек.
Смешанные вулканы центрально-кратерного типа характеризуются чередующимися во времени извержениями вязких лав, твердых (от пепла до бомб) и газообразных продуктов вулканической деятельности. По формам вулканической постройки - это типичные стратовулканы или двойные вулканы типа "Сомма - Везувий".
Смешанные вулканы распространены в Средиземноморье, Южной Америке, Японии, на Курилах и Камчатке. Их извержения неоднократно были причинами экологических катастроф.
Извержение вулкана Везувий (Апеннинский полуостров) в 79 г. до н.э. привело к гибели под семиметровым слоем вулканического пепла населения городов Геркулапум, Помпеи, Стабия. Во время извержения того же вулкана в 1631 г. раскаленный поток лавы почти полностью уничтожил г. Торре-дель-Греко.
Вулканическим извержениям всех типов часто предшествует серия сейсмических толчков - "вулканическое дрожание", являющихся предвестниками параксизмальной стадии.
Человек, живущий в окрестностях вулканов, вынужден искать средства защиты от извержений. Пока они сводятся только к изменению направления течения лав при помощи плотин, взрывов; к охлаждению переднего края потока водяными струями с целью остановки движения лавы. В настоящее время разрабатываются проекты ослабления силы извержений путем постепенного вывода части вулканических газов из подводящего канала через буровые скважины с глубин 2-3 км.
Вместе с тем вулканы играют и положительную роль, являясь неисчерпаемыми источниками экологически чистой геотермальной энергии. Геотермальные электростанции создаются в местах выхода на поверхность парогидротерм, связанных с поствулканической - фумарольной стадией извержения. На вулканическом пепле, богатом калием и фосфором, развиваются высокоплодородные почвы.
Вулканическая деятельность, по-видимому, влияет и на глобальные изменения климата. Вулканы выбрасывают в атмосферу значительное количество углекислоты, что может способствовать общему потеплению климата в периоды активизации вулканической деятельности.
Активная водородно-метановая продувка кратерных базальтовых озер лавовых вулканов, связанная с процессами дегазации мантии и ядра, может приводить, как указывалось ранее, к разрушению озонового сдоя и возникновению озоновых дыр.
Землетрясения являются наиболее опасным эндогенным процессом. Подсчитано, что за исторический период (около 4 тыс. лет) от землетрясений погибло не менее 13 млн. человек. Только в результате Тянь-Шаньского землетрясения (Китай) 1976 г. по разным оценкам погибло от 240 000 до 650 000 человек, а 700 000 получили ранения.
По генезису природные землетрясения подразделяются на тектонические, вулканические и экзогенные. Наибольшей разрушительной силой обладают тектонические землетрясения, очаги которых максимально концентрируются вдоль глубинных разломов. Они вызываются внезапным быстрым смещением крыльев существующих или вновь образующихся разрывных нарушений.
На крупных разломах землетрясение происходит при длительном смещении в противоположные стороны тектонических блоков или плит. Силы сцепления удерживают крылья разлома от проскальзывания, и зона разлома испытывает все возрастающую сдвиговую деформацию. При достижении ею некоторого предела происходит вспарывание разлома и смещение его крыльев.
На вновь образующихся разломах возникает землетрясение - это результат закономерного развития системы трещин, объединяющейся в зону повышенной трещиноватости. В этой зоне возникает магистральный разрыв, сопровождающийся землетрясением.
Максимально известная длина разломов, вспарывающихся при землетрясениях, составляет 500-1000 км. Крылья разлома при этом смещались до 10 м (землетрясения Камчатское 1952 г., Чилийское I960 г.).
Землетрясения обычно выражаются несколькими (многими) толчками, направленными вертикально вверх или имеющими определенную горизонтальную составляющую. По отношению к главному землетрясению предшествующий (форток) и последующие повторные (афтершоки) толчки, как правило, более слабые.
80 % всех землетрясений происходит в земной коре (большинство на глубине 8-10 км). Максимальная глубина залегания очагов землетрясений 620-720 км, соответствующая примерно границе верхней и нижней мантии.
Для определения интенсивности колебания поверхности в эпицентре используется 12-балльная шкала силы землетрясения, основанная на степени разрушения построек и других проявлений землетрясении.
В настоящее время для оценки землетрясения применяется шкала магнитуд (часто неверно называемых баллами), предложенная Ч. Рихтером и соответствующая относительному количеству энергии, выделившемуся в очаге землетрясения. Наиболее крупные землетрясения характеризуются магнитудой от 6 до 9. Магнитуда 6 соответствует 6-9 баллам, 7-8 -10 баллам, 8-10 - 12 баллам 12-балльной шкалы силы землетрясений.
Оценка землетрясений в магнитудах более объективна, так как степень разрушения построек зависит не только от количества выделенной энергии, но и от ряда других как объективных (глубина очага, водонасыщенность горных пород), так и субъективных (качество построек) факторов.
На Земле за 1 год происходит 10 землетрясений с М = 7,0-7,9; 100 землетрясений с М = 6,0-6,9; 1000 землетрясений с М = 5,0-5,9; 10000 землетрясений с М = 4,0-4,9.
Землетрясения – чрезвычайно грозное явление природы. Обусловленные продолжающейся эволюцией земных недр, они сотрясают и изменяют земную поверхность и влияют на экологию планеты. Каждое крупное сейсмическое событие в густонаселенной местности оборачивается катастрофой. Человеческие потери от землетрясений по всему миру составляют 60 % всех жертв от различных стихийных бедствий. Землетрясения возникают внезапно и это усугубляет их разрушительные последствия. Умеренные по энергии землетрясения могут оказаться катастрофическими в районах, где не были предприняты достаточные меры по обеспечению сейсмостойкости строительных сооружений, особенно таких опасных в экологическом отношении, как атомные электростанции и другие крупные энергетические и гидротехнические объекты. Последствия разрушительных землетрясений могут ощущаться в течение десятилетий, а затраты на их ликвидацию поглощают значительную часть национального бюджета.
На территории СССР за послевоенное время при землетрясениях погибло свыше 200 тыс. человек.
Свыше 20 % территории Российской Федерации подвержено сейсмическим воздействиям, превышающим 7 баллов по 12-балльной шкале MSK-64, отражающей сейсмический эффект на земной поверхности, в связи с чем требуется проведение антисейсмических мероприятий в строительном деле. Более 5 % территории России занимают чрезвычайно опасные 8-10-балльные зоны, где возникают наиболее крупные землетрясения с магнитудами М = 78 и более по шкале Рихтера. Наиболее сильные землетрясения в европейской части России наблюдаются на Северном Кавказе, где их сила может достигать 9 баллов.
Высокая степень риска возникновения разрушительных землетрясений диктует настоятельную необходимость углубленных исследований, включая теорию и практику их прогноза, сейсмического районирования, нормирования антисейсмического строительства, постсейсмической и социальной реабилитации.
Прогноз землетрясений, т.е. прогноз места, силы и времени сейсмического события, относится к числу важнейших научно-технических проблем мирового значения, над разрешением которых давно работают коллективы ученых различных стран.
Крупным циклом исследований рассматриваемого направления является создание карт сейсмического районирования.
Сейсмическое районирование представляет собой важное звено в оценке сейсмической опасности и социально-экономического риска территории. Исследования в этой области основываются на комплексном изучении структуры литосферы, современной геодинамики и сейсмогеодинамики, сейсмотектоники, региональной сейсмичности, сейсмического режима земных недр и сейсмического эффекта на земной поверхности. Карты сейсмического районирования необходимы для рационального землепользования, долгосрочного государственного социально-экономического планирования и оценки сейсмической уязвимости строительных объектов. Такие карты пока еще далеки от совершенства. Крупные землетрясения продолжают вносить в нормативные строительные документы свои трагические коррективы.
Повышение надежности сейсмического районирования продолжает оставаться одной из самых сложных проблем прикладной сейсмологии. Многочисленные примеры несовпадения сейсмологических расчетов и прогнозов с реальными природными условиями можно привести по всем регионам мира. Причина ошибок сейсмического районирования состоит прежде всего в том, что оно базируется на неполной информации о сейсмичности и сейсмотектонике территории, скудном опыте оценок сейсмической опасности и на недостаточно совершенных методологических позициях. Поэтому одной из главных практических задач сейсмологических исследований является создание на новой методологической сейсмологической и геолого-геофизической основе обновленной карты сейсмического районирования территории Российской Федерации и сопредельных с ней стран.
Новая карта призвана официально заменить устаревшую, но используемую в настоящее время карту сейсмического районирования 1978 г. (СР-78), вошедшую в 1981 г. в Строительные нормы и правила (СНиП-II-7-81). Она, подобно своим предшественницам (1937, 1957, 1968 гг.), также не выдержала испытания временем. Начиная с 1988 г., практически ежегодно возникали 8-10-балльные землетрясения в зонах, опасность которых на карте СР-78 оказалась заниженной по меньшей мере на 2-3 балла. Это – катастрофическое Спитакское землетрясение в Армении в 1988 г., унесшее десятки тысяч человеческих жизней, разрушительные Зайсанское землетрясение 1990 г. в Казахстане и Рача-Джавское 1991 г. в Грузии. В 1991 г. аналогичное по величине землетрясение случилось в зоне Корякского нагорья. В 1992 г. разрушительное 9-10-балльное Сусамырское землетрясение произошло в 7-8-балльной зоне Кыргызстана. 28 мая 1995 г. на севере о.Сахалин на границе 6- и 7-балльной зон произошло 9-10-балльное Нефтегорское землетрясение. Погибло более 2000 человек, составлявших две трети населения Нефтегорска. Нефтегорск был полностью разрушен и перестал существовать как населенный пункт. Высокая магнитуда землетрясения (М), оцениваемая разными методами от 7,2 до 7,6, большая горизонтальная протяженность (свыше 50 км) и относительно небольшая глубина очага (от 15-20 км вплоть до земной поверхности), естественно, привели к интенсивным афтершокам.
Имеются медико-биологические свидетельства воздействия геофизических процессов, предшествующих землетрясениям и сопровождающих сейсмические события, на человека и животный мир. Особого внимания заслуживает, в частности, реакция различных видов животных (холоднокровных и теплокровных) на аномальные изменения или повышенные концентрации различных химических соединений (в жидком или газообразном состоянии), или на вариации физических полей, предшествующих разрядке сейсмической энергии. Этот феномен иногда используется в качестве биологического индикатора надвигающейся геодинамической катастрофы.
Можно полагать, что механизмы воздействия названных природных факторов на организм человека схожи с влиянием на других биологических представителей живой материи. Однако уровень развития и социальная структура человеческого общества в сочетании со сложившейся на текущий момент времени конкретной политико-экономической обстановкой в регионе определяют специфические особенности коллективного поведения как реакцию на биофизические вариации в природе. Так, если подобная эволюция обстановки происходит на фоне активизации или торможения геобиофизических процессов, то последние незримо оказывают постоянное воздействие на психофизическое состояние конкретных личностей, снижая или повышая степень реактивности всего общества.
Исходя из отмеченного, в ряде случаев становится возможным рассматривать фазы социального неспокойствия как производные элементы геобиофизических аномалий, периодически генерируемых в природе. Такие фазы, располагаясь в некоторой последовательности природно-социальных явлений, замыкаются предельным событием – геодинамической катастрофой, завершающей очередную цепь развития в живой и косной материи конкретного ареала.
Медиками отмечены прямая зависимость количества сердечно-сосудистых и нервных заболеваний от силы и частоты сейсмических колебаний, своеобразие клинического течения заболеваний и их исход. Отрицательные эмоции, обусловленные землетрясением и его афтершоками, сильно влияют на эндокринную систему, приводят к глубоким перестройкам организма. Наблюдается функциональное поражение нервной и сердечно-сосудистой систем, называемое медиками “болезнью землетрясения”: во время или вскоре после подземного толчка возникают страх, учащенное сердцебиение, боль в области сердца, слабость в ногах, потеря ориентации и связности мышления, увеличение холестерина в крови, рост гипертонических кризов, инсультов, острой коронарной недостаточности и других осложнений сердечно-сосудистой системы.
Рассматриваемое геофизическое явление и медико-биологические последствия, выражающиеся в стрессовых реакциях населения на землетрясения, представляют собой одну из наиболее острых экологических проблем, требующих привлечения усилий специалистов-психологов, исследовательских центров медицины катастроф.
Как показывают исследования последних лет, одним из наиболее эффективных подходов к оценке степени геодинамической активизации крупных регионов является мониторинг напряженно-деформированного состояния геологической среды, выполняемый в реальном времени. Такой вид исследований, разработанный во ВСЕГИНГЕО и применяемый для оценки состояния геологической среды во всех сейсмоактивных регионах страны, получил наименование гидрогеодеформационного (ГГД) мониторинга.
Уже первые сведения об особенностях функционирования ГГД-поля в различных структурно-фациальных зонах позволили установить разнообразие в интенсивности его развития в зависимости от местоположения (платформа, горно-складчатая система) и времени (период геодинамического затишья или активизации). ГГД-полю платформенных регионов свойственна сравнительная “вялость”, в то время как это же поле, зафиксированное в смежных системах, характеризовалось энергичными, контрастными перестроениями с быстрыми сменами границ короткоживущих структур сжатия и растяжения. Для геодинамически спокойных периодов отмечено неупорядоченное строение ГГД-поля, когда структуры одного знака, зарождаясь и развиваясь в течение нескольких десятков суток, так же быстро разрушаются и замещаются короткоживущими структурами противоположного знака.
Важной чертой ГГД-поля является его “реактивность”, чувствительность к смене геодинамической обстановки в регионе. Особенно резко происходит смена характера ГГД-поля в периоды нарастания напряжений, предшествующие сильным землетрясениями. В эти периоды, обычно исчисляемые 4-6 мес, в регионах отчетливо фиксируется направленное формирование (или деградация) короткоживущих структур определенного знака [30].
Следует подчеркнуть, что ГГД-поля, отображая эволюции напряженно-деформированнного состояния обширных ареалов, дают представление о субглобальных геодинамических эволюциях литосферы и при этом демонстрируют согласную или противоположную по знаку жизнь очень крупных геологических структур, расположенных в разных частях земного шара. Приводимый ниже пример достаточно ярко иллюстрирует это положение.
Трансрегиональные реконструкции ГГД-поля, выполненные для периодов подготовки катастрофических землетрясений (Спитак, Рудбар-Таром, Рача-Джавское, Каспийское и др.), свидетельствуют о жесткой генетической связи между геомеханическими процессами и сейсмичностью, развивающимися на фоне динамической активизации недр.
Для территории Кавказа, Казахстана и Средней Азии инструментально зарегистрировано развитие мощных процессов растяжения земной коры, охвативших в 1989-1990 гг. Памирскую горную страну, Тянь-Шань, Туранскую (Туркмения) и, по-видимому, Аравийскую плиты, горные системы Копетдага и Кавказа. С учетом полученных измерений даже по сильно заниженным оценкам следует, что на заключительной фазе подготовки Рудбар-Таромского (Иран) землетрясения (с января 1990 г.) в этот процесс были вовлечены ареалы площадью не менее 3 300 000 км2.
С конца 1989 г. Копетдагская складчатая система испытывала значительные процессы растяжения, достигшие максимума в январе-марте 1990 г., после чего началось “вырождение” короткоживущих структур растяжения с постепенным их замещением структурами сжатия. Господствующее сжатие в регионе зафиксировано с середины октября 1990 г.
В этот же период на Кавказе преобладало развитие короткоживущих структур сжатия, которые с конца апреля 1990 г. интенсивно замещались структурами растяжения. Максимум растяжения в регионе был зафиксирован в начале сентября 1990 г., после чего произошло стремительное вырождение структур растяжения с замещением их вновь структурами сжатия.
Выявленные особенности в режиме геодинамической жизни обширных ареалов свидетельствуют о сложных процессах современной эволюции земной коры, развитие которой идет по “закону коромысла”: на период максимальных растяжений в пределах Копетдага приходился период наибольшего сжатия на Кавказе.
Геодинамическое “коромысло”, подобное выявленному в период Рудбар-Таромского землетрясения, но с инверсионным развитием процесса, отмечается и при Рача-Джавском событии: в этот период на Кавказе прослежено очень интенсивное сжатие, после чего произошла разрядка сейсмической энергии. Одновременно с этим в Туркмении было зафиксировано максимальное растяжение, а после Рача-Джавского землетрясения – всплеск сжатия, длившегося с апреля по сентябрь 1991 г.
Результаты свидетельствуют, что в регионально выдержанные процессы эндогеодинамики бывают вовлечены огромные объемы горных пород, далеко выходящие за границы отдельных регионов. В планетарном масштабе землетрясения, очевидно, могут рассматриваться как следствия взаимодействий крупных литосферных плит.
Из анализа данных, полученных для длительных отрезков времени, следует, что деформационные процессы, развивающиеся в пределах крупных регионов, имеют ярко выраженный циклический характер, когда периоды господствующего растяжения (релаксации) сменяются кратковременными интервалами сжатия длительностью в несколько месяцев.
Рассмотренные особенности геодинамической эволюции крупных регионов свидетельствуют о том, что отдельные, иногда даже близко расположенные геологические блоки, в реальном времени геодинамически развиваются независимо. Геодинамические процессы имеют колебательно-пульсационную, квазиволновую природу, когда в пределах сильно удаленных регионов, а также смежных или близко расположенных структур в одно и то же время могут иметь место противоположные по знаку и различные по интенсивности.
Землетрясения проявляются на поверхности Земли неравномерно, тяготея на континентах к областям новейшего горообразования. На земном шаре выделяются сейсмические пояса, приуроченные к границам больших и малых литосферных плит. Основными сейсмическими поясами являются Тихоокеанский и Альпийско-Гималайский. Первый обрамляет Тихий океан, а второй простирается от Западного Средиземноморья до Восточной Азии, где сливается с Тихоокеанским на пространстве от Приохотья до Индонезии. Именно в этих поясах проявились все разрушительные землетрясения.
26 января 2001 г. разрушительное землетрясение силой в эпицентре 7,9 баллов прокатилось по Индии от граничащего с Пакистаном Кашмира до Калькутты. Разрушены города Бхудж, Анджар и Бхачау, находившиеся вблизи эпицентра землетрясения. По данным сейсмологического центра Калифорнии непосредственно перед землетрясением было афиксировано 32 форшока. Потом обрушился тридцать третий разрушающей силы толчок, который «прокатился» по городам Индии как цунами. Ахмадабада, город с 4-миллионным населением, который, хотя и находился от эпицентра в 150 км, выглядит так, словно пострадал от массированной бомбежки. По словам очевидцев, как карточные домики рушились малоэтажные постройки в бедных густонаселенных кварталах и монументальные железобетонные здания в деловом центре. Рухнул набок, похоронив под собой 150 человек, 12-этажный элитный дом. В Индии погибло более 100000 человек.
Только самые разрушительные землетрясения за последние сто лет унесли более 560 000 жизней:
26 января 2001 г., Индия, 7,9 балла, более 100000 погибших;
21 сентября 1999 г., Тайвань, 7,6 балла, 2400 погибших,
17 августа 1999 г. Турция, 7,4 балла, 17000 погибших;
30 мая 1998 г., Афганистан, Таджикистан, 6,9 балла, 5000 погибших;
17 января, 1995 г., Япония, 7,2 балла, 6000 погибших;
7 декабря 1988 г., Армения, 6,9 балла, 25000 погибших;
16 сентября 1978 г., Иран, 7,7 балла, 22780 погибших;
4 февраля 1976 г., Гватемала, 7,5 балла, 33000 погибших;
6 октября 1948 г., Ашхабад, 9,0 баллов, 110000 погибших;
24 января 1939 г., Чили, 8,3 балла, более 140000 погибших;
16 декабря 1920 г., Китай, 8,6 балла, более 100000 погибших.
В связи с важнейшей экологической ролью этого природного процесса крайне актуальна разработка теории долгосрочного прогноза землетрясений. Прогноз землетрясений основан на изучении предвестников, которые разделяются на долгосрочные и краткосрочные.
К долгосрочным предвестникам относятся деформации земной поверхности на больших площадях, изменения отношении Vp/Vs и величин Vp, повышение или понижение микросейсмичности территорий, возникновение глубокофокусных форшоков, изменение и вариации физических полей (электрического, геомагнитного, гравитационного), флуктация уровня подземных вод, их дебита и состава, изменение уровня нефти в буровых скважинах, выделение газовых эманаций (гелий, радон).
При долгосрочном прогнозе используется определение магнитуды готовящегося толчка в зависимости от радиуса r площади предваряющих деформаций:
М = 2 lg r + 4,5.
Для оценки времени ΔΤ действия долгосрочных предшественников используется соотношение:
ΔΤ (годы) = 0,5М - 2,9.
К краткосрочным предвестникам относятся вариации наклонов земной поверхности, регистрируемые маятниковыми приборами, флуктуации акустических и электромагнитных полей в приземном слое тропосферы, изменение режима подземных вод и газов и др. Они могут наблюдаться за несколько часов и даже минут до землетрясения.
Ни один из предвестников не является надежным. Есть землетрясения, не предваряющиеся предвестниками, и предвестники, не сопровождающиеся землетрясениями.
Трудности предсказания землетрясений усугубляются и тем, что в сейсмоактивных районах литосфера весьма напряжена. Небольшое добавочное напряжение может ускорить возникновение землетрясения. Факторами "спускового", или триггерного, действия могут быть большие перепады атмосферного давления над крыльями сейсмоактивного разлома, прилив в "твердой" земле в данном месте, космические воздействия и т.д.
В конце 90-х гг. появились сообщения о разработке проекта учеными институтов земного магнетизма, космических исследований и физики Земли РАН краткосрочного (за несколько дней) прогноза землетрясений. Проект основан на взаимосвязи землетрясений с изменениями электромагнитных полей в верхних слоях атмосферы на расстоянии 400 км от Земли. Предполагается создать международную сеть спутников, 8 из которых необходимо запустить на высоту 400 км, а 10 - на высоту 800 км от поверхности Земли.
В мае 2000 г. в средствах массовой информации прошло сообщение, что в течение ближайших 30 лет сильнейшее землетрясение потрясет Средиземноморье. В его эпицентре, вероятнее всего, окажется Италия.
Согласно прогнозу европейских и американских сейсмологов, предстоящее бедствие по размаху будет напоминать знаменитое Калифорнийское землетрясение, в результате которого по Средиземному морю пройдет несколько цунами. Вероятность толчков в 8-10 (!) магнитуд по шкале Рихтера (или 10-12 баллов) составляет 66 %. К зонам самого высокого риска относятся о. Сицилия, южная область Калабрия, центральные области Марке и Абруцци. Возможно, пострадает и граничащая с Австрией область Фриули. Островками относительного спокойствия могут остаться «каблук» Апеннинского полуострова, область Апулия и ряд приальпийских областей - Лигурия, Ломбардия и Пьемонт [21].
Ввиду невозможности на современном уровне развития общества предотвращать землетрясения большое значение приобретает в сейсмических районах сейсмостойкое строительство. В комплекс антисейсмических мер входит создание железобетонных сейсмических поясов, уменьшение веса кровли и межэтажных перекрытий, отказ от выступающих тяжеловесных деталей - карнизов, балконов и т.д.
При хозяйственном освоении территории необходимо использовать карты сейсмического районирования, на которых отражена в изосейстах ее балльность. Эти карты находят широкое применение при проектировании и строительстве в сейсмоопасных регионах.
Среди природных явлений, воздействующих на геологическую среду и биосферу, особое место занимают космогеологические процессы. Эти процессы связаны с падением на Землю космических тел - метеоритов, астероидов и комет, что приводит к образованию в верхней части геологического разреза ударных, ударно-взрывных кратеров и астроблем, а также к ударно-метаморфическому (шоковому) преобразованию вещества горных пород.
Научная общественность не спешила принимать идею о признании ударных явлений в качестве важных и распространенных геологических процессов на поверхности земли.
Довольно долго некоторые ученые возражали против ударного происхождения Аризонского метеоритного кратера. Однако с годами число хорошо задокументированных ударных кратеров на поверхности Земли резко увеличилось. Систематические поиски кратеров в пустынных районах и на древних щитах, проводимые с помощью тщательного анализа аэрофотоснимков, привели к обнаружению десятков новых ударных кратеров, существование которых впоследствии подтвердилось при полевых исследованиях и изучении образцов.
Космогенные структуры имеют различные размеры. Ударные кратеры - в диаметре менее 100 м, ударно-взрывные - свыше 100 м. Большинство астроблем имеют поперечник 2-33 км.
В настоящее время обнаружено около 200 таких структур. В табл. 17 приведены названия некоторых земных кратеров или структур, ударное происхождение которых не вызывает сомнения. На территории России одной из наиболее крупных является Попигайская астроблема, расположенная на севере Сибири и достигающая в поперечнике 100 км.
По современным представлениям за геологическую историю Земля многократно подвергалась космическим бомбардировкам, вызывающим глобальные экологические катастрофы и глобальное вымирание биологических видов.
Упоминания о камнях, падающих с неба можно найти в литературных источниках Китая, Греции и Рима.
Таблица 5.4
Известные и предполагаемые земные ударные кратеры и структуры
(с сокращениями [23])
|
Название |
Диаметр, км (если в районе несколько кратеров, то указан наибольший) |
|
Дризонскии метеоритный кратер, США 1220 м Боксхол, Северная территория, Австралия 175 м Брент, Онтарио, Канада 4 Вабар, Саудовская Аравия 90 м Ваиапмтен, Онтарио, Канада 8,5 Вест-Хок, оз., Манитоба, Канада 3,7 Вредефорт, ЮАР 100 Вулф-Крик, Западная Австралия 850 м Госсес-Блафф, Северная территория, Австралия 22 Декатурвил, Миссури, США 6 Деллен, Швеция 12 Каалиярви, Эстония 110 м Кампо-дель-Киело, Аргентина 70 м Карсуэлл, Саскачеван, Канада 30 Кентленд, Индиана, США 6 Кёфелг, Австрия 5 Клируотер, оз., западный кратер, Квебек, Канада 30 Клируотер, оз., восточный кратер, Квебек, Канада 15 Крукед-Крик, Миссури, США 5 Лаппанрви, Финляндия 10 Лак-Кугюр, Квебек, Канада 10 Ливерпуль, Севервая территория, Австралия 1,6 Маникуаган, Квебек, Канада 65 Мидлсборо, Кентукки, США 7 Миен, оз., Швеция 20 Мистастин, Лабрадор, Канада 20 Монтуракуа, Чили 0,48 Менсон, Айова, США 30 Нью-Квебек, Канада 3,2 Одесса, шт, Техас, США 168 м Рис, ФРГ 24 Рошешуар, Франция 15 Садбери, Онтарио, Канада 100 Силджан, Швеция 45 Сихотэ-Алинь, Приморье, Россия 26,5 м Стренгуэйс, Северная территория, Австралия 16 Тенумер, Мавритания 1,8 Уэллул, Мавритания 250 м Хенбери, Северная территория, Австралия 150 м Хэвиленд, Канзас, США 11 Шарлевой, Квебек, Канада 35 Штейвхсйм, ФРГ 3 |
Падение метеорита часто происходит в виде выпадения тысяч каменных или железных обломков, и считается, что все эти обломки являются фрагментами одного метеоритного тела.
Практически во всех случаях обильные выпадения происходят в результате распада единого крупного метеороида на две и больше части в результате аэродинамического давления при вхождении его в плотные слои земной атмосферы с космической скоростью.
Выделяются четыре группы признаков космогенных структур: морфоструктурные, минералого-петрографические, геофизические и геохимические.
К морфоструктурной группе признаков относятся кольцевая или овальная кратерная форма, наличие кольцевого вала, центрального поднятия или "центральной горки" в кратерах диаметром более 3 км, отчетливое радиально-кольцевое расположение разрывных нарушений.
Группа минералого-петрографических признаков предполагает наличие в ударно-метаморфических кратерах высокобарических модификаций и шоковых (планарных) структур минералов, импактитов, раздробленных и брекчированных пород.
К высокобарическим минералам относятся полиморфные модификации SiO2 - коэсит и стишовит, мелкие кристаллы алмаза, морфологически отличающиеся от алмазов кимберлитов, и наиболее высокобарическая модификация углерода - лонсдейлит. Они возникают при сверхвысоких давлениях, не характерных для земной коры.
В породообразующих и акцессорных минералах мишени, таких как кварц, полевые шпаты, циркон и др., образуются пленарные структуры, или деформационные ламелли, - тонкие трещины шириной в несколько микрон, расположенные обычно параллельно определенным кристаллографическим элементам зерен минералов. Минералы с планарными структурами называют шоковыми, например шоковый кварц.
При падении космического тела за сверхмалое время (менее 0,1 с) выделяется огромное количество энергии, расходующейся на сжатие и дробление, плавление и испарение пород в точке соприкосновения с поверхностью (мишенью). В результате воздействия ударной волны в мишени образуются породы, носящие общее название импактитов, а возникающие при этом структуры часто называют импактными.
Импактиты представлены стеклами плавления, часто с обломками различных пород и минералов мишени. Они подразделяются на туфоподобные - зювиты и массивные лавоподобные - тагамиты.
Среди брекчированных пород выделяются:
1) аутогенная брекчия - интенсивно трещиноватые и часто передробленные до состояния муки породы мишени, сохраняющие место первоначального залегания;
2) аллогенная брекчия, состоящая из крупных перемещенных обломков различных пород.
Геофизическими признаками космогенных структур являются кольцевые аномалии физических полей, в основном гравитационных и магнитных. Центрам кратеров обычно соответствуют отрицательные или пониженные магнитные поля, гравитационные минимумы, осложненные иногда локальными максимумами (если есть центральная горка).
Геохимические особенности определяются обогащенностью пород тяжелыми металлами (Pt, Os, Ir, Co, Ni, Cr), характерными для хондритов, а также изотопно-геохимическими аномалиями углерода и кислорода.
Примерный сценарий образования космогенных структур показан на рис. 5.10 [17].
Приближаясь к поверхности планеты, космическое тело соударяется с ней. От точки удара распространяется ударная волна, приводящая вещество мишени в движение. Начинает расти полость будущего кратера (рис. 5.10, а). Частично за счет выброса, а частично за счет преобразования и выдавливания разрушающихся пород полость достигает максимальной глубины. Образуется временный кратер (рис 5.10, б).
При малом размере космического тела кратер может оказаться устойчивым (рис. 5.10, в).
Рис. 5.10. Примерный сценарий образования метеоритных кратеров:
1 - горная порода; 2 - горная порода, сжатая ударной волной; 3 - горная порода, выброшенная в результате удара: 4 - раздробленная горная порода в смеси с ударным расплавом; 5 - направление перемещения материала (пояснения см. в тексте)
В другом случае разрушенный материал оползает с бортов временного кратера и им заполняется его дно. Формируется "истинный кратер" (рис. 5.10, г).
В ударном событии большого масштаба неясные пока процессы потери устойчивости приводят к быстрому воздыманию днища кратера, обрушению и опусканию его периферийных частей. При этом образуется "центральная горка" (рис. 5.10, д), а кольцевое углубление заполняется смесью обломков и импактного расплава (рис. 5.10, е).
Одним из наиболее полно изученных объектов является Аризонский метеоритный кратер. Эта структура относится к самым молодым природным высокоскоростным ударным кратерам [23].
Кратер расположен в Северной Аризоне, примерно в 35 км западнее города Уинслоу. Аризонский метеоритный кратер достигает глубины 180 м, в его диаметр составляет приблизительно 1220 м. Он образовался в пологозалегающих пермских и триасовых породах южной части плато Колорадо, причем деформации, обусловленные ударным процессом, вполне очевидны и легко выявляются при картировании. Однако даже в отношении этого кратера долгое время велись дискуссии о его происхождении.
На дне кратера и в пределах кратерного вала было пробурено большое число буровых скважин, пройдено несколько шахт в тщетных попытках обнаружить крупное метеоритное тело, сложенное никелистым железом.
Аризонский кратер не имеет абсолютно круглой формы, в плане он скорее напоминает квадрат. Исследователи объясняют такие контуры существованием двух крупных систем сбросов и трещин в подстилающих породах. Вокруг кратера расположен заметный вал, возвышающийся над окружающей равниной на 30-60 м, хорошо сохранились остатки обширного покрова выбросов. Некоторые выбросы до сих пор еще можно закартировать вдали от кратерного вала, на расстоянии, равном диаметру кратера.
Выбросы содержат много мелких обломков метеоритного тела, однако железо, как правило, полностью окислено. Также в выбросах встречаются многочисленные обломки расплавленных и частично расплавленных пород, обломки со следами скалывания и с корочками стекла. Значительная масса метеоритного железа обнаруживается вокруг возвышенности, в центре которой находится обширная впадина. В Аризонском кратере Чжао с сотрудниками (1960) впервые обнаружил природные выделения коэсита и стишовита.
Возраст Аризонского метеоритного кратера точно не установлен, но, очевидно, он относится к молодым образованиям. Дно кратера частично выполнено четвертичными и современными отложениями, а плейстоценовый делювий закрывает самую нижнюю часть его стенок.
У местных индейцев существуют предания о возникновении кратера, однако похоже, что они ведут свое происхождение не от очевидцев. Возраст кратера по оценкам варьирует в диапазоне 20 000-40 000 лет.
Большую дискуссию вызвал вопрос о направлении траектории падения метеорита. Споры главным образом касались симметрии кратера, распределения выбросов и обломков железа. Однако, имеющиеся факты не дают однозначного ответа. Оценки массы ударяющегося тела, состоящего из никелистого железа, варьируют в пределах от 30 тыс. до более чем 200 тыс. т.
На территории Канады в свое время было обнаружено много крупных кольцевых структур, которые исследователи рассматривали как ударные структуры и эродированные кратеры (см. табл. 5.5 и рис. 5.11).
Исследование кольцевых структур проводилось в соответствии с программой геофизической разведки, картирования, бурения.
Таблица 5.5
Вероятные метеоритные кратеры и ударные
структуры Канады на 1972 г.
Примечание. Сводка выполнена отделом физики Земли Департамента энергетических и сырьевых ресурсов. Оттава, Канада [23].
Рис. 5.11. Расположение установленных ударных кратеров (черные кружки) и многочисленных предполагаемых ударных структур (светлые кружки) на территории Канады. Обращает на себя внимание плотность выявленных кратеров в пределах древнего Канадского щита (штриховой край)
Метеоритное происхождение предполагаемых кратеров устанавливалось главным образом по петрографическим критериям и было основано на следах проявления ударного метаморфизма в шлифах пород из поверхностных обнажений или керна буровых скважин. Однако, древний возраст канадских кратеров создает определенные трудности при их распознавании - большинство канадских кратеров не моложе палеозойского или докембрийского возраста. Многие из них в результате длительных геологических процессов заполнились осадками, некоторые были вовлечены в процесс регионального метаморфизма, а большинство существенно изменили свою морфологию под воздействием континентальных ледников. По мнению некоторых исследователей многие крупные кольцевые структуры на территории Канады могут принадлежать к остаточным формам ударных кратеров, однако определенные доказательства на этот счет отсутствуют.
На общем фоне увеличения разнообразия и численности органического мира в истории Земли отчетливо фиксируются кратковременные эпизоды, в течение которых происходило исчезновение значительного числа видов, родов, семейств, отрядов и даже отдельных классов живых организмов. Именно эта прерывистость в развитии биоты позволила создать стратиграфическую школу фанерозоя.
В фанерозое насчитывается не менее семи таких наиболее значительных эпизодов, соответствующих концу ордовика, позднему девону, рубежу Перми и триаса, концу триаса, границе меда и палеогена, концу эоцена, рубежу плейстоцена и голоцена (рис. 5.12). Из этих эпизодов наибольшее внимание исследователей привлекают события на границе мела и палеогена, что определяется масштабом вымирания биологических видов. В отличие от других крупных «биотических кризисов» (А. Фишер, 1986), выделенных на основании данных о вымирании семейств животных, мел-палеогеновый кризис отличается своей внезапностью. Даже в областях преимущественно непрерывного морского осадконакопления он может быть привязан к определенной поверхности напластования или тонкому слою «пограничной глины».
Длина стрелок грубо пропорциональна интенсивности вымирания
В это время исчезли динозавры, морские рептилии, аммониты, белемниты, многие двустворки и некоторые другие организмы. В истории Земли этот возрастной рубеж знаменует крупнейшую глобальную экологическую катастрофу, для объяснения которой было предложено несколько гипотез.
Рис. 5.12. Главные события вымирания (показаны стрелками), с указанием их влияния на степень разнообразия видов в океанах в течение
геологического времена (по Sepkoski, 1987, с упрощениями)
Наиболее оригинальной является импактная гипотеза калифорнийских ученых Луиса и Уолтера Альваресов (1979). Основываясь на находке в Северной Италии тонкого слоя с повышенным содержанием иридия на границе мела и палеогена, они предположили, что в этот период произошло столкновение Земли с относительно крупным (не менее 10 км в диаметре) болидом - астероидом или кометой. Удар вызвал изменение температуры приземных слоев атмосферы, наступление темноты, образование азотной кислоты в атмосфере, возникновение сильного цунами и испарение океанской воды (в случае падения болида в океан).
Импактная гипотеза Альваресов стимулировала изучение пограничных слоев между мелом и палеогеном. К 1992 г. иридиевая аномалия в них была обнаружена более чем в 105 местонахождениях на разных континентах и в керне буровых скважин в океанах. В тех же пограничных слоях были обнаружены микросферулы минералов, предположительно образовавшихся при взрыве болида, 18О, а также обогащение пород Pt, Os, Co, Mi, Cr, An, характерным для некоторых типов хондритовых метеоритов, и, наконец, примесь сажи. Последнее интерпретируется как доказательство лесных пожаров, вызванных падением метеоритов.
В настоящее время появляются данные, что на рубеже мела и палеогена Земля испытала воздействие не одного болида, а роя метеоритов или же весьма крупного болида, отдельные фрагменты которого породили целую серию кратеров. Предполагается, что наиболее крупной импактной структурой, образовавшейся в результате этой бомбардировки, является погребенный кратер Чиксулуб на севере полуострова Юкатан близ города Мерида в Мексике, имеющий в диаметре 180 км и глубину предположительно 15 км.
Этот кратер, центр которого расположен чуть западнее г. Прогресс, обнаружен бурением и оконтурен по гравитационной и магнитной аномалиям. В керне скважины были выявлены брекчированные породы, импактные стекла, шоковый кварц и шоковый полевой шпат. Выбросы из данного кратера отмечены на о. Гаити, в Северо-Восточной Мексике, в ряде скважин глубоководного бурения к северу и югу от Юкатана. В этих районах в пограничном слое между мелом и палеогеном, обнаружены повышенные содержания тектитов - шариков (сферул) оплавленного стекла, рассматривающихся в качестве импактных капель, выброшенных из Чиксулубского кратера.
Кратер Чиксулуб располагается на карбонатно-эвапоритовом платформенном чехле. В результате плавления карбонаты выделяют углекислый газ и создают парниковый эффект, а ангидриты могли продуцировать сернистый газ и вызывать выпадение кислотных дождей.
В качестве второго кратера - результата космической бомбардировки на рубеже мезозоя и кайнозоя - рассматривается Карская астроблема, расположенная на восточном склоне Полярного Урала и хребта Пай-Хой и имеющая размеры около 140 км в поперечнике. В последнее время получены достаточно надежные радиологические данные о приуроченности этой астроблемы к границе мела и палеогена.
По-видимому, имеются и другие импактпые структуры "граничного" возраста. Доказательством тому является присутствие импактных сферул в пограничных мел-палеогеновых слоях на поднятии Шацкого в Тихом океане. Присутствие их в этом районе трудно объяснить попаданием из Чиксулубского и Карского центров, находящихся на расстоянии до 10 тыс. км.
Целостности данной гипотезы мешает отсутствие данных о кризисе морской фауны.
Альтернативой импактной причины вымирания видов является вулканическая гипотеза, поддерживаемая рядом исследователей (Ч. Оффисер, Ч. Дрейк, США; В. Куртийо, Франция). Согласно этой гипотезе, мощные излияния базальтов на плато Декан в Индии на рубеже мела и палеогена могли привести к последствиям, сходным с последствиями падения астероида или кометы. Активизация вулканической деятельности могла привести к глобальному потеплению, благодаря парниковому эффекту, связанному с усиленным выделением углекислоты в атмосферу, а также к разрушению озонового слоя, что доказывается недавним извержением вулкана Пинатубо на Филиппинах.
Однако вулканизм не может объяснить таких особенностей пограничного слоя, как резкое повышение иридия, присутствие шоковых минералов, тектитов и др. Это обстоятельство делает импактную гипотезу более предпочтительной, возможно, в сочетании с вулканической.
Для других уровней массовых вымираний данные менее однозначны и противоречивы,
В связи с изложенными выше гипотезами интересной и в какой-то степени обобщающей представляется работа А. Фишера (Принстонский университет), где автор высказывает предположение, что все изменения во внешней оболочке Земли - это сочетание случайно возникающей направленности развития и некой иерархии колебаний и циклов, которые время от времени прерываются катастрофическими событиями [22]. Ученый обращается к идее влияния на климатические особенности нашей планеты астрономических факторов /циклов/, связанных с вращением Земли и ее движением по орбите.
Впервые идея о влиянии на климат Земли астрономических циклов была высказана Адемаром еще в 1860 г. для объяснения чередования ледниковых и межледниковых эпох в плейстоцене (J.A. Adhemar, I860). Дальнейшие исследования позволили точнее установить природу и значение астрономических циклов и более определенно выявить их влияние на резкие климатические изменения, имеющие периодичность от 18 тыс. до 500 тыс. лет.
Фишер не просто обращается к идее Адемара. Он развивает ее с учетом данных геодинамики - науки о глубинных силах и процессах, возникающих в результате эволюции Земли как планеты и обусловливающих движение масс вещества и энергии внутри Земли и в ее верхних твердых оболочках (Зоненшайн, Сапостин, 1979). А. Фишер предполагает, что изначальной причиной глобального изменения климата на нашей планете является активность плит и, в конечном счете, конвекция мантийного вещества - процесса циклического, с периодом порядка 300 млн. лет, приблизительно совпадающим с продолжительностью галактического года.
К астрономическим факторам он относит: долгопериодные изменения частоты и (или) интенсивности излучения, обусловленные солнечной эволюцией; гипотетические кратковременные вариации в потоке солнечной радиации; изменения, связанные с галактическим вращением, и изменения в потоке солнечной энергии, происходящие в результате возмущений земной орбиты. Кратковременные климатические аномалии (катастрофы) могли быть вызваны такими космическими событиями, как вспышки сверхновых, или в результате столкновения Земли с кометами или астероидами [22].
Последней крупнейшей катастрофой в новейшей истории Земли, возможно вызванной столкновением Земли с кометой, явился Всемирный потоп, описанный в Ветхом Завете. В 1991 г. австрийские ученые супруги Эдит Кристиан Толман и Александр Толман по годичным кольцам деревьев, резкому увеличению содержания кислот в ледниковом покрове Гренландии и другим источникам установили даже точную дату события - 23 сентября 9545 г. до н.э. Одно из доказательств возможной связи Всемирного потопа с космической бомбардировкой - выпадение дождя из тектитов на огромном пространстве, охватывающем Азию, Австралию, Южную Индию и Мадагаскар. Возраст тектитсодержащих слоев (10 тыс. лет) совпадает с датировкой потопа супругами Толман.
По-видимому, основные фрагменты-обломки кометы упали в океан, что породило катастрофические землетрясения, извержения вулканов, цунами, ураганы и ливни глобального масштаба, резкое повышение температуры, лесные пожары, общее затемнение, а затем похолодание. В результате исчез ряд представителей наземной фауны, в том числе и мамонты, а первобытные люди уцелели лишь в пещерах.
Несомненно, что нельзя пренебрегать идеями и концепциями, пусть даже самыми фантастичными, направленными на поиск недостижимой истины. Однако исследователь должен стремиться связать воедино все имеющиеся факты. Только так можно реконструировать во всей полноте события, происходившие или происходящие в мире, окружающем человека. Так, если говорить о потопе, то здесь необходимо привлекать и данные археологии.
В 1922-1929 гг. археологом Вулли были установлены следы «потопа» в нижнем течении рек Сфрат и Тигр. Раскопки Уры (Ур - один из древнейших городов-государств Южной Месопотамии) показали, что первые поселения человека здесь перекрыты 2,5-3,5 м слоем речного ила и песка, которые Вулли считал следами «потопа» (Г.Н. Матюшин, 1996 г.). Песок и ил полностью заполнили дома древних обитателей. Однако в городах, удаленных от дельты, речных наносов обнаружено меньше. Так, в Кише слой песка был лишь 0,5 м. В Ниневии на глубине 18 м от дневной поверхности был обнаружен «потопный» слой толщиной от 1,5 до 2 м. Вулли датирует слой «потопа» в Уре 3500 г. до н.э. и говорит следующее «...мы убедились, что потоп действительно был, и нет нужды доказывать, что именно об этом потопе идет речь в списке царей, в шумерийской легенде, а, следовательно, и в Ветхом Завете... В Библии говорится, что вода поднялась на 8 м. По-видимому так оно и было. Шумерийская легенда рассказывает, что люди до потопа жили в тростниковых хижинах. Мы нашли эти хижины в Уре и Эль-Убейде. Большая часть обитателей долины вероятно погибла, и лишь немногие пораженные ужасом жители городов дожили до того дня, когда бушующие воды наконец стали отступать от городских стен».
Другой археолог Стивен Лангдон, обнаруживший аналогичный по составу слой в Кише, датируег его 3100 г. до н.э. Слои «потопа» в Уруке и Шуруппаке датируются примерно тем же временем (нижнее течение междуречья Тигра и Ефрата).
Знаменитый археолог Г. Чайлд писал, что «отложения, свидетельствующие о наводнениях, были действительно обнаружены в Уре, Уруке, Шуруппаке и Кише, хотя и совершенно различных археологических горизонтах. Таким образом, мы не можем ни определить какое из этих наводнений считалось «потопом» ... ни точно утверждать, что именно этот потоп был исторически зафиксированным фактом». Скорее всего, это были всплески предшествующего периода высокого стояния вод в Мировом океане и бассейнах рек.
Исследователи Библии указывают время «потопа» - Ш-IV тыс. лет до н.э. По системе библейской хронологии, разработанной архиепископом Ушером, «потоп» был в октябре 2349 г. до н.э. Другой богослов, скрывающийся под инициалами Ф.Р., дал дату в 3553 г. до н.э. По древнегреческому, переводу Библии «потоп» был в 3213 г. до н.э. Примерно в это время озерные жители Южного Урала покинули свои поселения вблизи озер. Скорее всего, что этот «потоп» был последним за последние 6 тыс. лет.
Возможно супруги Толман в своих исследованиях приблизились к разгадке причины первого экологического кризиса - всемирного потопа, когда 80-85 веков назад началась длительная дагестанская трансгрессия Каспия (X тыс. лет до н.э. - уровень Каспийского моря упал до 60 м, а затем - VIII тыс. лет до н. э. - поднялся на 50 м). В этот период воды всех крупных озер Африки также выходили за свои берега. По оценке археолога Г.Н. Матюшина (1996), это был самый длительный период «потопа». Как рассуждает ученый «...несомненно, что по всему полушарию в это время, а может быть, и по всей Земле происходил очень большой «подъем» влажности и обычно засушливые долины Анатолии (так древние греки называли Малую Азию, а с 20-х г. нашего века так называют азиатскую часть Турции) покрылись буйной растительностью. Здесь водились стада онгра, кабана, благородного оленя, медведя, льва и леопарда. Росли виноград, груши, яблоки, гранаты, грецкие орехи, фиговые пальмы».
В древности люди придавали огромное значение космосу. В затемнениях Солнца, появлении комет, падении метеоритов и других небесных явлениях они видели причину земных катастроф и бедствий. Современная наука, как пишет в предисловии к книге А.Л. Чижевского «Земное эхо солнечных бурь» академик О.Г. Газенко, признает «наличие причинно-следственной связи между массовыми заболеваниями, стихийными бедствиями в природе и космическими факторами».
Приведенные выше гипотезы и предположения ученых объединяет одна мысль, высказанная в 30-е гг. XX в. академиком В.И. Вернадским, что данные астрономических наук так же важны для геолога, как данные наук геологических - для астронома, поскольку Земля представляет собой лишь одно из тел Солнечной системы. Профессор А.Л. Чижевский подробно исследовал различные типы влияния Солнца на неорганический и органический земные миры, на ритмы и другие особенности этих взаимодействий. В Меморандуме международного конгресса по биологической физике и биологической космологии, состоявшемся в сентябре 1939 г. в Нью-Йорке, отмечалось: «Тот факт, что жизнь биосферы Земли зависит от солнечных явлений, давно стало трюизмом. Но впервые профессор Чижевский показал степень этой зависимости и ее глубину. В этом заключается его огромная заслуга. Чижевский раскрыл механизмы, тщательно скрываемые природой, показав, что живая клетка является тончайшим и избирательным резонатором для определенных корпускулярных и электромагнитных процессов внешней среды».
История Земли как космического тела - это непрерывная цепь преобразований и взаимодействия геофизических и геохимических процессов, протекающих за счет внешних и внутренних источников энергии.
По данным Английского Королевского общества астрономии в настоящее время в направлении Земли уверенно движутся 50 метеоритов и астероидов диаметром до 9,5 км. По расчетам, на поверхность Земли метеориты приземляются раз в 15 месяцев, а столкновение с астероидом возможно раз в 300 тыс. лет. Реальная возможность такого столкновения и вызванной этим глобальной экологической катастрофы заставляет искать способы борьбы с опасностью. В США серьезно обсуждается предложение, поддерживаемое "отцом" водородной бомбы профессором Э. Теллером, расстреливать крупные космические объекты по мере их приближения ракетами с ядерными боеголовками.
В феврале 2001 г. США объявили о том, что американский космический зонд NEAR сможет успешно сесть на астероид Эрос, на орбите которого он сейчас находится. NEAR задумывался как инструмент для изучения природы околоземных астероидов, небесных тел, несущих потенциальную угрозу Земле. Он стал первым межпланетным аппаратом, которому удалось закрепиться на астероидной орбите, он первым использовал солнечные батареи на столь гигантском удалении от Солнца.
Посадка на астероид, которая никогда прежде не осуществлялась, всегда считалась сложнейшей задачей. Тем более, что на такой объект, как Эрос, который имеет форму вытянутой, бугристой картофелины длиной 33 км. Здесь, гравитация меньше земной в 1000 раз, множество кратеров и огромных каменных валунов. Шансы американцев сесть на астероид Эрос довольно высоки. В истории изучения космоса ничего подобного не было. «Мы обязаны собрать максимум данных об этих объектах, - говорит один из ведущих экспертов НАСА Эд Вейлер. - Астероид, подобный Эросу, когда-нибудь снова может столкнуться с нашей планетой, как это уже случилось 65 млн лет назад, когда вымерли динозавры».