Геоэкология как новое междисциплинарное направление на стыке географии и экологии

«Ученик – это не сосуд, который надо наполнить,
а факел, который надо зажечь».
Плутарх (ок. 46-120)

Зарождение геоэкологии связывают с именем немецкого географа Карла Тролля (1899-1975), который ещё в 1930-х гг. понимал под ней одну из ветвей естествознания, объединяющую экологические и географические исследования в изучении экосистем. По его мнению, термины «геоэкология» и «ландшафтная экология» являются синонимами. В России широкое использование термина «геоэкология» началось с 1970-х гг., после упоминания его известным советским географом В.Б. Сочавой (Ямковой, 2013). Впервые термин «геоэкология» был опубликован в 1966 г. Геоэкология -  от греч. gē - Земля, oikos - дом и logos – учение. Как отдельная наука геоэкология окончательно сложилась в начале 1990-х гг. Позднее уже с другой смысловой нагрузкой это понятие стало использоваться не только географами, но и биологами, и геологами. В настоящее время он применяется в географических, геологических, социальных и других науках при решении проблем природоохранной направленности.

Однако, как это ни парадоксально, чёткого и общепринятого определения этот термин до сих пор не получил, предмет и задачи геоэкологии также формулируются по-разному, зачастую весьма разнородно. Практически, в самом общем случае, они сводятся в основном к изучению негативных антропогенных воздействий на природную среду.

Среди наиболее известных определений геоэкологии как самостоятельной науки следует упомянуть некоторые из них (Телеш, 2015). В. Т. Трофимов, Д. Г. Зилинг, Т. И. Аверкина определяют геоэкологию как междисциплинарную науку, изучающую состав, структуру, закономерности функционирования и эволюции естественных (природных) и антропогенно преобразованных экосистем высоких уровней организации. Объектом исследования геоэкологии, по их мнению, являются природные и антропогенно нарушенные (преобразованные) экосистемы высокого уровня организации, предметом исследования – закономерности функционирования и эволюции естественных и антропогенно измененных экосистем высокого уровня организации. По В. И. Осипову, геоэкология – междисциплинарная наука об экологических проблемах геосфер, объектом которой являются геосферные оболочки Земли, а предметом – все знания о них, включая изменения под влиянием природных и техногенных факторов. С. П. Горшков определяет новую отрасль знаний – геоэкологию – как науку о «современных ландшафтах (естественных, преобразованных и созданных человеком), геологической среде, о способах и возможностях использования природных ресурсов и экологических ограничениях при социально-экологическом развитии». В качестве предмета этой науки называется «проблема макроорганизации биосферы, вопросы иерархического соподчинения ее макросистем в связи с необходимостью научно обоснованного использования естественных ресурсов, охраны природы». По Н. Ф. Реймерсу, геоэкология – «раздел экологии (по другим воззрениям – географии), исследующий экосистемы (геосистемы) высоких иерархических уровней – до биосферы включительно». Согласно К. М. Петрову, геоэкология – «наука о взаимодействии географических, биологических и социально-производственных систем». В. Г. Морачевский и другие считают, что геоэкология – это «наука, изучающая необратимые процессы и явления в природной среде и биосфере, возникающие в результате интенсивного антропогенного воздействия, а также близкие и отдаленные во времени последствия этих воздействий».

Связи географии с экологией традиционны и многообразны. В 20-30-х гг. XX в. американские географы называли географию экологией человека.

Место геоэкологии в системе географических наук можно изобразить в виде нанизанных на ось дисков, где каждый диск – частная географическая дисциплина. Осью, связующей всю стопку, является экологическое мировоззрение. Кусок, вырезанный из стопки, - это региональный объект геоэкологических исследований. Он включает природно-территориальный комплекс (ПТК) с присущими ему биоценозами и совмещенный с ним территориально-производственный комплекс (ТПК) с его социально-экологическими проблемами (рис. 1) (Петров, 2000).

Термин «геоэкология» (и его производные) получил в России широкое распространение. Он вошел в названия университетских факультетов и кафедр, учебных специальностей, одного из ведущих академических институтов, солидных периодических изданий (журнал РАН «Геоэкология»), научных трудов, учебной литературы и др. Но притом смысл данного термина истолковывается по-разному, подчас весьма про¬извольно и противоречиво. Более того, несмотря на факт происхождения геоэко¬логии как эколого-ландшафтной науки, ее нередко относят к совершенно иным областям знания. Отдельные авторы посчитали ее даже термином свободного пользования (Прозоров, Экзарьян, 2000).

Рисунок 1. Объект геоэкологических исследований

Подобные воззрения на геоэкологию напоминают ситуацию, возникшую в по-следние десятилетия и вокруг «экологии». Предложенный Э.Геккелем термин (1866г.), изначально сугубо биологический по своему содержанию, нередко стали понимать как некую метанауку о взаимодействии природы и общества и упот¬реблять в различных приложениях, вплоть до самых неожиданных («экология души», «экология литературного творчества», «экологический бензин», «плохая экология – причина аппендицита») (Тимашев, 2008;  Фрумин, 2011). Или такие «шедевры». В витрине одного из магазинов в Германии: «Мы заботимся о вашем здоровье. Наши похоронные венки сделаны из экологически чистых материалов». В выставочном зале «Интенсификация-90» с успехом прошла выставка «Экология женщины», после чего в петербургских газетах промелькнуло выражение «экологически чистые девушки».

Согласно паспорту специальности: «Геоэкология» - междисциплинарное научное направление, объединяющее исследования состава, строения, свойств, процессов, физических и геохимических полей геосфер Земли как среды обитания человека и других организмов. Основной задачей геоэкологии является изучение изменений жизнеобеспечивающих ресурсов геосферных оболочек под влиянием природных и антропогенных факторов, их охрана, рациональное использование и контроль с целью сохранения для нынешних и будущих поколений людей продуктивной природной среды».

Одним из основных понятий геоэкологии является понятие «природная среда», представляющее собой комплекс геооболочек Земли, находящихся в условиях относительного термодинамического равновесия. Природная среда включает в себя ближнее космическое пространство, земную атмосферу, Мировой океан, внутреннюю гидросферу, криосферу и деятельный слой литосферы.
Резюмируя приведённые определения геоэкологии и термины, связанные с ней, следует упомянуть о таком устоявшемся понятии в физической географии, как «географическая оболочка» — природный комплекс, возникший в слое взаимодействия и взаимопроникновения литосферы, гидросферы, атмосферы и биосферы и сформировавшийся под воздействием солнечной энергии и органической жизни. Эта оболочка является естественным природным окружением человека в его жизни и хозяйственной деятельности.

Геоэкология решает следующие задачи:

•  исследование источников антропогенного воздействия на природную среду и биосферу, их интенсивности и пространственно-временного распределения;
• создание и оптимизация геоинформационных систем, обеспечивающих непрерывный контроль за состоянием природной среды (биосферы), в основе которых лежат различные виды мониторинга;
• изучение уровня загрязнения и разрушения компонентов глобальной системы (атмосферы, Мирового океана, внутренних вод, литосферы, криосферы, биосферы), постоянный и повсеместный контроль их динамики;
• изучение антропогенной нагрузки на природные ландшафты и их функционирование как экосистем, нормирование и регулирование нагрузок на экосистемы разных иерархических уровней, исследование реакции биосферы на антропогенные процессы различного характера;
• оценка, прогноз и моделирование последствий антропогенных воздействий, проявляющихся в изменении состояния компонентов глобальной и региональной экосистем, в изменении интенсивности процессов тепло-массо-энергообмена между ними для разных временных масштабов;
• геологическое исследование устойчивости природной среды, подвергнутой антропогенному воздействию;
• разработка рекомендаций по сохранению целостности природной среды и биосферы путем оптимизации хозяйственной деятельности и регламентации ресурсопотребления.

Геоэкологические проблемы, как правило, носят комплексный характер, требуют интеграции геологии, географии, почвоведения, геофизики, геохимии, горных наук в единую систему знаний о геологической среде. Охватывая сведения о Земле, геоэкология является не просто суммирующей, а обобщающей областью знаний. Она имеет свой объект и предмет исследований, которые не следует из теории какой-либо отдельной науки о Земле.

Таким образом, геоэкология трактуется довольно широко и разнообразно. В узком смысле она представляет собой науку, занимающуюся изучением экологических функций частных геосфер, и проблем, связанных с деятельностью человека. В более широком смысле геоэкология является междисциплинарным направлением, которое интегрирует все знания об экологических проблемах Земли и представляет собой триумвират из биологических, геологических и почвенно-географических наук, ставящих основной целью сохранение жизнеобеспечивающей среды и жизни на Земле. Развитие геоэкологии продолжается, поэтому приведённый список определений, скорее всего, будет расширяться, уточняться и дополняться.

В XX в. человечество столкнулось с глобальными экологическими проблемами – экологическим вызовом (Данилов-Данильян, Лосев, 2000; Лосев, 2011). Во второй половине ХХ в. перед человечеством возникла проблема, существовавшая всегда, но ставшая по-настоящему глобальной только в последние полвека. В своей эволюции человечество к началу XXI в. покинуло станцию «Покорение природы», проскочило на полном ходу полустанок «Преобразование природы» и, разогнавшись и не снижая скорости, мчится к станции «Тупик». Эта станция может стать последней. Многообразные и обширные потребности человечества очевидно превышают тот объем ресурсов, которым Земля располагает. Тупик заключается в том, что наша цивилизация построена на ограблении планеты, причем неумелый и жадный грабитель портит намного больше, чем ему было бы нужно для достаточного, но умеренного благоденствия. Аппетиты грабителя возрастают, а возможности для грабежа уже почти не увеличиваются. Неизбежно, раньше или позже, величина потребления превысит сумму ресурсов и «услуг» природы. Возникнет, если уже не возник, грозный глобальный кризис, ведущий к катастрофической деградации экосферы, то есть области взаимодействия геосфер и человечества. При оптимистическом взгляде на глобальную ситуацию кризис еще в будущем, при пессимистической оценке он уже наступил. Пока поезд мчится все по той же колее, он неизбежно летит к станции «Тупик», или, что хуже, «Катастрофа» (Голубев, 2006).

Все общемировые геоэкологические проблемы можно разделить на две большие категории: проблемы глобальные и проблемы универсальные. Глобальные проблемы охватывают всю экосферу в целом, но могут проявляться по-разному в различных районах мира. Универсальные проблемы многократно повторяются, в определенных модификациях, складываясь в общемировую проблему. Разрушение озонового слоя Земли - характерный пример глобальной проблемы, в то время как деградация почв - типичный пример универсальной проблемы. Такое деление удобно, потому что стратегии решения глобальных и универсальных геоэкологических проблем различаются. В частности, в первом случае действенным методом решения проблемы может быть международное соглашение, выполняемое затем на национальном уровне, а во втором случае зачастую достаточно концентрировать действия по решению проблемы на локальном уровне, имея в, виду решение общенациональной или всемирной задачи.

Отношение разных ученых к глобальным проблемам различно. Крайние точки зрения таковы: - Абсолютизация глобальных проблем и фатализм, сводящийся к мнению о невозможности решить глобальные проблемы, проповедь идей катастрофизма и неизбежности гибели человечества. - Полное отрицание существования глобальных проблем и признание лишь проблем локальных.

Геоэкологические проблемы являются фокусом глобальных проблем человечества. Другими словами, геоэкологическая проблема – это противоречие, возникающее при нарушении равновесия в системе «живой организм-окружающая среда».

Глобальные геоэкологические проблемы – энергетическая, водная, продовольственная, демографическая, проблема истощения земельных и лесных ресурсов мира, загрязнение природной среды. Геоэкологические проблемы по большей части междисциплинарны. Проблема возникает часто как общественная, но корни ее лежат в вопросах естественного характера. Для ее решения необходимо предпринять определенные действия в социальной сфере, изменяя тем самым природные условия, к которым, в свою очередь, должно приспосабливаться общество.

Например, катастрофическое снижение уровня Аральского моря привело к существенным экономическим потерям (прекращение рыболовства, засоление почв вследствие разноса солей с обнажившегося дна ветром и др.) и имело очень большой общественный резонанс. Падение уровня произошло в результате изменения составляющих его водного баланса: вследствие развития орошения резко уменьшился приток в море воды Амударьи и Сырдарьи. Для восстановления более высокого, чем сейчас, уровня Арала необходимо такое коренное изменение социальных условий в бассейне, которое бы в конечном итоге способствовало снижению водопотребления (снижение доли сельского населения, изменение структуры посевов, пересмотр стратегии развития сельского хозяйства и пр.). Таким образом, проблема Арала, внешне видимая как естественная, в основном по происхождению гидрометеорологическая, а фактически социальная.

Рассмотрим некоторые глобальные геоэкологические проблемы, обусловленные сильным антропогенным воздействием на различные географические оболочки (атмосферный воздух, водные объекты, почвы).

Проблема  озонового экрана  Земли. В развитии биосферы выделяют два переломных периода (точки), связанные с газовой функцией.   Первая из них относится ко времени, когда содержание кислорода в атмосфере достигло примерно 1% от современного уровня (первая точка Пастера). Это обусловило появление первых аэробных организмов, способных жить только в среде, содержащей кислород. С этого времени восстановительные процессы в биосфере стали дополняться окислительными. Второй переломный период связывают со временем, когда концентрация кислорода достигла примерно 10 % от современной (вторая точка Пастера). Это создало условия для синтеза озона и образования озонового слоя в верхних слоях атмосферы, что обусловило возможность освоения организмами суши (до этого функцию защиты организмов от губительных ультрафиолетовых лучей выполняла вода, под слоем которой возможна была жизнь).   Для живых организмов критическим считается содержание озона в 0,0005% объемного процента.

Основное содержание озона находится в стратосфере на высотах примерно от 15 до 45 км (этот участок иногда называют озоносферой). Максимальная концентрация озона наблюдается на высотах 20 – 25 км. Толщина озонового слоя, приведенного к нормальным условиям (р = 760 мм рт.ст., t = 0⁰С), в среднем для всей Земли составляет 2,5 – 3 мм.

В атмосфере озон образуется во время грозы, а в более верхних слоях атмосферы - под действием УФ-излучения в присутствии примесей (например, азота). Обратимая реакция образования озона имеет вид: ЗО₂  +  285 кДж ↔  2O₃

УФ-излучение представляет для человека двойную опасность. Оно не только увеличивает возможность заболевания раком кожи, но и  подавляет  способность иммунной системы сопротивляться онкологическим заболеваниям. Это  подавление иммунной системы  также  делает  людей  более  восприимчивыми,  например,  к герпесу и другим инфекционными болезнями. Помимо кожи, другим органом, в большей степени подверженным влиянию УФ-излучения, является глаз. Это  излучение  может  воздействовать  на  роговую оболочку  глаза,  создавая  условия  для  возникновения  «снежной  слепоты», названной  так  потому,  что  она  часто   возникает   у   горнолыжников   и альпинистов. Иногда снежная слепота  очень  болезненна;  ее  рецидивы  могут постепенно уменьшить остроту зрения. УФ-излучение представляет  опасность  и для сетчатки, а также вызывает катаракту хрусталика глаза.

В начале 1980-х гг. было отмечено снижение общего содержания озона в атмосфере над районом научных станций в Антарктиде. Так, в октябре 1985 г. появились сообщения о том, что концентрация озона в стратосфере над английской станцией Халли-Бей уменьшилась на 40% от её минимальных значений, а над японской – почти в 2 раза. Два года спустя американские спутники подтвердили эти данные, и область получила название «озоновой дыры» Этим термином обычно называют локальные (от десятков тысяч до сотен миллионов квадратных километров) области с потерей озона.

Весной 1998 г. озоновая дыра над Антарктидой достигла рекордной площади 26 млн. кв. км (в 3 раза больше территории Австралии). А на высоте 14-25 км в атмосфере произошло почти полное разрушение озона. Аналогичные явления отмечались и в Арктике (особенно с весны 1986 г.), но размеры озоновой дыры здесь были почти в 2 раза меньше, чем над Антарктикой. В марте 1995 г. озоновый слой Арктики был истощен примерно на 50%, причем сформировались «мини-дыры» над северными районами Канады и Скандинавского полуостровом, Шотландскими островами (Великобритания).

Процесс деструкции озонового слоя начал принимать глобальный характер и был зафиксирован не только над Антарктидой, но и в Северном полушарии – на станциях в Риге, Бельске, Санкт-Петербурге. Подобные явления были зарегистрированы и над США, Канадой, над озерами Байкал, Балхаш, полярным Уралом, Памиром. В соответствии с современными представлениями, причина образования «озоновой дыры» над Антарктидой является комплексной и связана как с совокупностью природных явлений (полярный вихрь), так и с антропогенным влиянием на состояние атмосферного воздуха.

Первым международным актом, ограничивающим производство фреонов и других соединений, разрушающих озоновый слой, стал Монреальский протокол. Он был подписан тридцатью странами в 1987 г. и вступил в силу с 1 января 1989 г. Считая разрушение озонового слоя крайне опасным для всей органической жизни на Земле, мировое сообщество предприняло ряд беспрецедентных мер вплоть до того, что объявило 16 сентября Международным днём охраны озонового слоя.

Проблема космического мусора. Под космическим мусором подразумеваются все искусственные объекты и их фрагменты в космосе, которые уже неисправны, не функционируют и никогда более не смогут служить никаким полезным целям, но являющиеся опасным фактором воздействия на функционирующие космические аппараты, особенно пилотируемые (рис. 2). В некоторых случаях, крупные или содержащие на борту опасные (ядерные, токсичные и т. п.) материалы объекты космического мусора могут представлять прямую опасность и для Земли — при их неконтролируемом сходе с орбиты, неполном сгорании при прохождении плотных слоев атмосферы Земли и выпадении обломков на населённые пункты, промышленные объекты, транспортные коммуникации и т.п.

В настоящее время в районе низких околоземных орбит (НОО) вплоть до высот около 2000 км находится, по разным оценкам, порядка 220 тыс. (300 тыс. по данным Управления ООН по вопросам космического пространства, октябрь 2009) техногенных объектов общей массой до 5000 тонн. На основе статистических оценок делаются выводы, что общее число объектов подобного рода (поперечником более 1 см) достаточно неопределенно и может достигать 60 000 − 100 000. Из них только порядка 10% (около 8600 объектов) обнаруживаются, отслеживаются и каталогизируются наземными радиолокационными и оптическими средствами и только около 6% отслеживаемых объектов — действующие. Вклад в создание космического мусора по странам: Китай — 40%; США — 27,5%; Россия — 25,5%; остальные страны — 7%.

Рисунок 2. Космический мусор

Синдром (Эффект) Кесслера — гипотетическое развитие событий на околоземной орбите, когда космический мусор, появившийся в результате многочисленных запусков искусственных спутников, приводит к полной непригодности ближнего космоса для практического использования. Впервые такой сценарий детально описал консультант НАСА Дональд Кесслер. Коварство синдрома Кесслера заключается в «эффекте домино». Столкновение двух достаточно крупных объектов приведёт к появлению большого количества новых осколков. Каждый из этих осколков способен в свою очередь столкнуться с другим мусором, что вызовет «цепную реакцию» рождения всё новых обломков. При достаточно большом количестве столкновений или взрыве (например, при столкновении между старым спутником и космической станцией, или в результате враждебных действий), количество лавинообразно возникших новых осколков может сделать околоземное пространство совершенно непригодным для полетов.

Десятисантиметровые объекты движутся на орбите со скоростью в 26 тысяч км/ч и развивают относительную скорость до 50 тысяч км/ч. При столкновениях освобождается энергия, которая может привести к катастрофическим последствиям. При столкновении с объектом размером один сантиметр освобождается энергия, эквивалентная взрыву ручной гранаты. А миллиметровые частицы могут пробить скафандр.
В последние годы на засорение космического пространства стала обращать внимание ООН. В декабре 2007 года резолюцией Генассамблеи был одобрен «Устав внеземной чистоты».

Проблема опустынивания. Опусты́нивание или дезертификация — деградация земель в аридных, полуаридных (семиаридных) и засушливых (субгумидных) областях земного шара, вызванная как деятельностью человека (антропогенными причинами), так и природными факторами и процессами. Термин «климатическое опустынивание» был предложен в 1940-х годах французским исследователем Обервилем. Понятие «земля» в данном случае означает биопродуктивную систему, состоящую из почвы, воды, растительности, прочей биомассы, а также экологические и гидрологические процессы внутри системы.

Из-за хозяйственной деятельности человека ежегодно пустыни увеличиваются на 60-70 тыс. км² (что примерно равно площади Литвы или Ирландии, или Шри-Ланки), а всего за вторую половину XX в. появилось около 9 млн. км² антропогенных пустынь, что примерно соответствует площади Китая (9,56 млн. км²).

Деградация земель — снижение или потеря биологической и экономической продуктивности пахотных земель или пастбищ в результате землепользования. Характеризуется иссушением земли, увяданием растительности, снижением связанности почвы, в результате чего становится возможной быстрая ветровая эрозия и образование пылевых бурь. Опустынивание относится к труднокомпенсируемым последствиям климатических изменений, так как на восстановление одного условного сантиметра плодородного почвенного покрова уходит в аридной зоне в среднем от 70 до 150 лет.

Последствия опустынивания: сокращение объемов производства продовольствия, снижение плодородия почвы и природной способности земли к восстановлению; усиление паводков в низовьях рек, ухудшение качества воды, осадкообразование в реках и озерах, заиление водоемов и судоходных каналов; ухудшение здоровья людей из-за приносимой ветром пыли, включая глазные, респираторные и аллергические заболевания и психологический стресс; нарушение привычного образа жизни пострадавшего населения, вынужденного мигрировать в другие районы.

По оценкам ООН, опустынивание в перспективе может затронуть более миллиарда человек и около трети всех земель, использующихся в сельскохозяйственных целях. В особенности, это относится к большим частям Северной Африки, Средней Азии, Юго-Восточной Азии, Австралии, частям Северной и Южной Америки, а также к Южной Европе. В России процессу опустынивания подвержена территория в 50 млн га. Нерациональное использование земель, в частности бесконтрольный выпас скота, привело к появлению единственной в Европе пустыни «Черные земли» в Калмыкии. При норме выпаса не более 750 тыс. овец здесь постоянно выпасалось 1 млн 650 тыс. Кроме того, на этой территории постоянно обитало свыше 200 тыс. сайгаков. Перегрузка пастбищ превышала норму в 2,5-3 раза. В результате более трети площади пастбищ (650 тыс. га) превращено в подвижные пески. Постепенно калмыцкая степь становится бесплодной пустыней.

Организация Объединённых Наций в 1995 году установила Всемирный день борьбы с опустыниванием и засухой, затем провозгласила 2006 год международным годом пустынь и опустынивания, а в дальнейшем обозначила период с января 2010 года по декабрь 2020 года Десятилетием ООН, посвящённым пустыням и борьбе с опустыниванием.

Проблема обезлесения. Обезлесение — процесс превращения земель, занятых лесом, в земельные угодья без древесного покрова, такие как пастбища, города, пустоши и другие. Наиболее частая причина обезлесения — вырубка леса без достаточной высадки новых деревьев. Кроме того, леса могут быть уничтожены вследствие естественных причин, таких как пожар, ураган или затопление, а также антропогенных факторов, например, кислотных дождей.

Процесс уничтожения леса является актуальной проблемой во многих частях земного шара, поскольку влияет на их экологические, климатические и социально-экономические характеристики и снижает качество жизни. Обезлесение приводит к снижению биоразнообразия, запасов древесины, в том числе для промышленного использования, а также к усилению парникового эффекта из-за снижения объёмов фотосинтеза. Человечество с давних пор вырубало лес, отвоёвывая землю у леса для ведения сельского хозяйства и просто для добычи дров. Позже у человека возникла потребность в создании инфраструктуры (городов, дорог) и добыче полезных ископаемых, что подхлестнуло процесс обезлесения территорий. Однако главной причиной вырубки лесов является увеличение потребности в еде, то есть площадей выпаса скота и посева сельскохозяйственных культур, как постоянных, так и сменных (рис. 3).

По данным Международного Института мировых ресурсов и Всемирного центра природоохранного мониторинга за последние 8000 лет была сведена почти половина некогда существовавших лесов. Из оставшихся лишь 22 процента состоят из естественных экосистем, остальные сильно изменены под натиском человека.

Рисунок 3. Обезлесение в Гватемале, пляж Чамперико

Проблема дефицита чистой воды. В последнее время все острее ощущается нехватка чистой питьевой воды. С этой проблемой сталкиваются не только развивающиеся страны, а и ведущие государства мира. И по прогнозам ученых, ситуация с каждым годом будет только ухудшаться. Уже сегодня проблемы с чистой питьевой водой возникают у 1 миллиарда человек, а в скором времени могут стать реальностью и боевые действия за обладания запасами чистой воды. Почти 80 % заболеваний в развивающихся странах, от которых каждый год умирает почти 3 млн человек, связаны с качеством воды. Так, от диареи каждый день умирает 5 тысяч детей, то есть каждые 17 секунд умирает по ребенку. В целом же почти 10% болезней в мире можно избежать с помощью улучшения водоснабжения, очистки воды, гигиены и эффективного управления водными ресурсами.

По некоторым данным, к 2040 году 40% населения Земли будет проживать в регионах, где чистой питьевой воды не будет совсем. А еще через 10 лет более 7 миллиарда человек будет употреблять какую угодно воду, но только не чистую, а значит небезопасную для здоровья. Как следствие, целые народы начнут мигрировать, чтобы поселиться возле источников воды, обладать которыми будут только самые могущественные державы, диктующие свою волю государствам. Вода будет цениться на вес золота, ее наличие или отсутствие будет решать судьбу правительств и стран. Само существование человеческой цивилизации может оказаться под угрозой. Из-за дефицита «голубого золота» в самое ближайшее время в зонах конфликтов могут оказаться три миллиарда человек из 50 стран, что приведёт к вооружённым столкновениям, региональным войнам.

Проблема парникового эффекта. Идея о механизме парникового эффекта была впервые изложена в 1827 году Жозефом Фурье в статье «Записка о температурах земного шара и других планет», в которой он рассматривал различные механизмы формирования климата Земли, при этом он рассматривал как факторы, влияющие на общий тепловой баланс Земли (нагрев солнечным излучением, охлаждение за счёт лучеиспускания, внутреннее тепло Земли), так и факторы, влияющие на теплоперенос и температуры климатических поясов (теплопроводность, атмосферная и океаническая циркуляция). В 1990 году крупнейшие климатологи планеты подготовили доклад для Межправительственной группы экспертов по проблемам изменения климата, образованной Генеральной ассамблеей ООН, в котором пришли к заключению, что выбросы в атмосферу парниковых газов приводят к дополнительному нагреву земной поверхности. По мнению экспертов, при сохранении современных темпов потепления через полвека на планете может быть достигнута температура, которой не знало человечество за весь период своего существования.

Механизм парникового эффекта заключается в следующем. Земля находится под воздействием потока излучения Солнца (основной энергетический вклад в поток космического излучения дает Солнце). Атмосфера Земли, ее поверхность частично отражают падающее излучение, частично — поглощают. Поглощение энергии вызывает нагрев земной поверхности. Ее сред¬няя температура составляет около 300К. Нагретая Зем¬ля также излучает, но, так как ее температура намного ниже солнечной, основное излучение энергии происходит на частотах инфракрас¬ного диапазона. Часть этого излучения поглощается парниковыми газами атмосферы. Часть излучения, достигающего поверхности Земли, возвращается в атмосферу. Ее количество зависит от альбедо (отражающей способности).

Парниковые газы пропускают излучение в видимом диапазоне и поглощают в инфракрасном (рис. 4). Таким образом, парниковые газы удерживают на Земле дополнительное количество энергии. Иными словами, атмосфера играет роль своеобразного «одеяла», удерживающего тепло аналогично стеклянной и пластмассовой крышке парника. Газы, задерживающие тепловое излучение и препятствующие оттоку тепла в космическое пространство, называются парниковыми газами.

Еще один фактор чреват резким увеличением парникового эффекта – разрушение огромных запасов газовых гидратов (клатратов) на дне моря, которое приведет к выделению в атмосферу больших количеств метана – сильнейшего парникового газа. Удельное поглощение метаном теплового излучения Земли (радиационная активность) примерно в 21 раз выше, чем углекислым газом. Наибольшую опасность представляют гидраты, которые уже сейчас находятся в метастабильном состоянии (в зонах вечной мерзлоты). Особенно подвержены изменению климата газогидратные отложения континентальных арктических шельфов.

Недавно получила поддержку идея гидратного объяснения тайны Бермудского треугольника. Согласно гипотезе, разложение находящихся в этом районе гидратов приводит к освобождению огромных объемов газа. Поднимаясь вверх, они пре- вращают водную поверхность в пузырящуюся пену, мгновенно поглощающую любой корабль, и созда- ют восходящее в небо облако метана, приводящее к гибели самолета за счет потери управления в этом мощном потоке.

Рисунок 4. Схема образования парникового эффекта

Благодаря парниковому эффекту среднегодовая температура у поверхности Земли в последнее тысячелетие составляет примерно 15°С, без него она опустилась бы до –18°С, и существование жизни на Земле стало бы невозможным. Существующая практика инвентаризации включает шесть основных парниковых газов: диоксид углерода (CO₂), метан (CH₄), закись азота (N₂O), и три газа-предвестника: оксид углерода (CO), оксиды азота (NOx), неметановые летучие органические соединения (НМЛОС).

По данным экспертов ООН, к 2025 г. повышение среднегодовой температуры у поверхности Земли может составить 2,5°С, а к концу столетия - почти 6°С. Это приведет к нарушению природных механизмов поддержания теплового баланса планеты и необратимо превратит Землю в раскаленный ад, подобный Венере. Как остроумно сказал английский ученый и писатель-фантаст Артур Кларк, «такая аномалия нашей соседки по космосу - результат энергетических «шалостей» бывших ее обитателей».

В докладе Межправительственной группы экспертов по проблемам изменения климата при ООН на заседании в Шанхае (январь 2001 г.) отмечено, что за последние десять лет толщина ледового покрова в Северном Ледовитом океане сократилась на 40%, происходит интенсивное разрушение ледовых щитов Антарктиды и Гренландии. Из-за таяния гренландских и арктических льдов происходит замедление течения Гольфстрима, несущее миллионы миллиардов ватт тепла из тропиков, согласно исследованиям американских ученых уже сейчас сила потока уменьшилась на 10%.

В результате таяния льдов под водой окажутся многие прибрежные районы и острова, вторжение фронта соленых морских вод в пресноводные реки вызовет засоление пресноводных прибрежных акваторий. Все эти процессы глубоко затронут человеческое общество, особенно густонаселенные приморские районы. Подъем уровня воды вызовет затопление многих приморских городов, ухудшатся условия их водоснабжения, серьезно пострадают места нерестилищ рыб. Подсчитано, что повышение уровня океана на 1 м повлечет за собой колоссальные потери людских и материальных ресурсов. Сотни миллионов людей на земном шаре вынуждены будут мигрировать из прибрежных зон, дельт рек и с островов.

Потепление приведет к высвобождению метана, находящегося в зоне вечной мерзлоты в виде гидрата метана (твердое соединение кристаллов воды и поглощенного под давлением газообразного метана), таянию фунтов. Это создаст угрозу дорогам, строениям и коммуникациям, в том числе газо- и нефтепроводам, буровым установкам и т. п., ухудшит состояние лесных массивов на вечной мерзлоте. Произойдут существенные изменения природных процессов в биосфере: - нарушение круговоротов главных биогенных элементов; - изменение характера облачности и, как следствие, климатические изменения; - изменение распределения осадков по регионам; - смещение климатических зон и, в частности, расширение зон пустынь; - нарушение биологических ритмов развития растений и длительные периоды неурожаев главных сельскохозяйственных культур.

Проблема глобальных климатических изменений антропогенного характера обсуждалась на конференции ООН по окружающей среде и развитию (ЮНСЕД) в Рио-де-Жанейро в 1992 г. По итогам конференции была принята «Конвенция Организации Объединенных Наций об изменении климата», конечная цель ее - стабилизация концентрации парниковых газов в атмосфере на таких уровнях, которые не будут оказывать опасное воздействие на глобальную климатическую систему. Для достижения этого необходимо самое широкое сотрудничество между всеми странами и их участие в соответствующих международных мероприятиях по сокращению выбросов парниковых газов.   Для практической реализации Конвенции по климату в декабре 1997 г. в Киото (Япония) на международной конференции был принят Киотский протокол. В нем определены конкретные квоты на выброс парниковых газов странами-участницами конференции для того, чтобы свести эмиссию парниковых газов (прежде всего углекислого газа) к 2012 г. до уровня 1990 г. В частности, квота России до 2012 г. составляет 3 т парниковых газов в год (по сведениям Росгидромета, сейчас Россия «недовыбрасывает» примерно треть от этой квоты).

Проблема антропогенного эвтрофирования водоемов. Понятие трофности водоемов сформулировано Тинеманном и Науманном в начале XX века. Под этим понятием понимают «кормность», «питательность» водоемов, то есть обеспеченность пищей населяющих их гидробионтов. Само слово эвтрофный происходит от греческого слова «эвтрофос», что в переводе означает «тучность», «жирность». Эвтрофирование — повышение биологической продуктивности водных объектов в результате накопления в воде биогенных элементов под действием антропогенных и естественных (природных) факторов (Дмитриев, Фрумин, 2004).

Основными источниками загрязнения водоемов биогенными веществами служат смыв азотных и фосфорных удобрений с полей, строительство водохранилищ без надлежащей очистки ложа, сброс сточных вод, в том числе и прошедших биологическую очистку. Биогенные компоненты поступают в природные экосистемы как водным, так и воздушным путем; так, сейчас в мире используется свыше 30 млн т/год мыла и детергентов (основанных на фосфатах). В Канаде, например, одному из химиков была присуждена престижная национальная премия за разработку моющих средств (стиральных порошков), не содержащих фосфора.

Эвтрофирование представляет собой естественный процесс эволюции водоема. С момента «рождения» водоем в естественных условиях проходит несколько стадий в своем развитии: на ранних стадиях — от ультраолиготрофного до олиготрофного, далее становится мезотрофным и в конце концов водоем превращается в эвтрофный и гиперэвтрофный — происходит «старение» и гибель водоема с образованием болота.

Однако под воздействием хозяйственной деятельности этот естественный процесс приобретает специфические черты, становится антропогенным. Резко возрастают скорость и интенсивность повышения продуктивности экосистем. Так, если в естественных условиях эвтрофирование какого-либо озера протекает за время 1000 лет и более, то в результате антропогенного воздействия это может произойти в сто и даже тысячу раз быстрее. Такие крупные водоемы как Балтийское море, озера Эри, Тахо и Ладожское перешли из одного трофического состояния в другое всего за 20–25 лет. Данный процесс охватил многие крупнейшие пресноводные озера Европы, США (Великие Американские озера), Канады и Японии. Кстати, в сентябре 1999 г. 350 японских экологов собрались на берегу у озера Бива, чтобы молитвенными песнопениями остановить его эвтрофирование (Гордин, 2007).

По образному выражению Ю. Одума антропогенное эвтрофирование есть злокачественное увеличение первичной продукции в водоеме. Развитие процесса антропогенного эвтрофирования приводит ко многим неблагоприятным последствиям с точки зрения водопользования и водопотребления (развитие «цветения» и ухудшение качества воды, появление анаэробных зон, нарушение структуры биоценозов и исчезновение многих видов гидробионтов, в том числе ценных промысловых рыб).

Первое научное упоминание токсического цветения в пресноводных водоемах Австралии, вызвавшего гибель овец, лошадей, свиней, собак, сделал в 1878 г. Дж. Френсис. С тех пор появилось множество свидетельств таких токсичных цветений в различных водоемах мира. Так, токсичность сине-зеленых водорослей во время их цветения установлена в Киевском водохранилище, на р. Днепр, в Куршском заливе Балтийского моря и т. д. Особенно им благоприятствуют в умеренных широтах подогрев воды в водохранилищах-охладителях и замедленный водообмен. Сине-зеленые водоросли в результате своей жизнедеятельности производят сильнейшие токсины (алкалоиды, низкомолекулярные пептиды и др.), которые сами не используют, но они, попадая в водную толщу, представляют опасность для живых организмов и человека. Токсины могут вызывать цирроз печени, дерматиты у людей, отравление и гибель животных.

По данным мировой статистики, примерно в 40–50% случаев цветения происходит развитие токсигенных цианобактерий. В настоящее время развитие токсигенных цианобактерий приобретает глобальный характер, что обусловлено усилением антропогенного загрязнения водных объектов. Как национальную проблему рассматривают токсичные цветения озер в Англии, Финляндии, Норвегии. В этих странах созданы специальные центры для их изучения и контроля. В литературе описаны наблюдения токсигенных цианобактерий в ряде озер Карелии и в Невской губе.

Интересный пример токсического действия синезеленых планктонных водорослей описан для Южной Африки. Там эти явления привлекли особое внимание после сооружения большого водохранилища на реке Вааль в Трансваале, строительство которого было окончено в 1938 г. С 1940 г. по берегам водохранилища были отмечены случаи падежа скота, принявшие массовый характер в 1942 г. во время сильного цветения водохранилища сине-зелеными водорослями. Погибли тысячи голов крупного рогатого скота и овец, гибли также лошади, мулы, ослы, собаки, кролики и домашняя водоплавающая птица. Отмечалось, что слабым ветром водоросли сгонялись к берегу, где концентрировались, и в этих местах животные гибли за немногие часы.

Основным ограничивающим фактором «цветения» сине-зеленых водорослей является уменьшение сброса биогенных веществ (в основном фосфора) в водные экосистемы.

Поскольку эвтрофирование водоемов стало серьезной глобальной экологической проблемой, по линии ЮНЕСКО начаты работы по мониторингу внутренних вод, контролю за эвтрофированием водоемов земного шара (Фрумин, Гильдеева, 2013).

Проблема закисления (ацидификации) водоемов. Широко известный ныне термин «кислотные дожди» появился в 1872 г. Его ввел в практику английский инженер Роберт Смит, опубликовавший книгу «Воздух и дождь: начала химической климатологии». Детальными, по-настоящему научными исследованиями кислотных дождей стали заниматься только в конце 60-х годов XX века.

О вредном воздействии кислотных дождей свидетельствуют следующие примеры. В Канаде из-за частых кислотных дождей стали мертвыми более 4000 озер, а 12000 озер находятся на грани гибели. В Швеции в 18000 озерах нарушено биологическое равновесие. Одним из наиболее «закисленных» регионов мира является Скандинавия, получая кислоты с ветрами из Германии и Англии. В Швеции насчитывается 90 тыс. озер, из которых 20 тыс. подверглись влиянию кислотных дождей, а в некоторых из них вымерли почти все рыбы. Для борьбы с закислением озер в Швеции с 1980 г. ежегодно проводилось известкование озер. На водную площадь в 6 тыс. км² сбрасывалось с самолетов до 120 тыс. т извести, нейтрализующей кислоту. Кислотные дожди наносят большой урон и лесам. В ФРГ и некоторых районах Швейцарии погибла 1/3 всех елей.
К основным загрязнениям атмосферы, которые являются источниками образования кислотных дождей, относятся диоксид серы (SO2), оксиды азота (в основном оксид азота NO и диоксид азота NO2 ) и летучие органические соединения.

В Средней и Северной Европе, а также Северной Америке кислотные дожди стали важной международной проблемой и даже поводом для конфликтов. Из всего количества кислот, выпавших с дождями над территорией Центральной Европы, в среднем 2/3 приходится на серную кислоту, 1/3 - на азотную. В Москве и Санкт-Петербурге с кислотными дождями на землю в год выпадает до 1500 кг серы на 1 км² (1,5 г/м²).

В 1994 г. в атмосферу поступило более 255 млн. т кислотообразующих оксидов серы и азота, что могло образовать более 500 млн. т кислот. Для перевозки этих кислот потребовалось бы почти 140 тыс. железнодорожных эшелонов, в каждом из которых было бы по 60 цистерн по 60 т в каждой.

Многие страны Европы как бы «экспортирующие» и «импортирующие» серу (имеется в виду поступление и вынос серы через воздушные границы), можно условно разделить на государства с положительным и отрицательным балансом. Так, например, Норвегия, Швеция, Финляндия, Австрия и Швейцария больше получают от своих соседей, чем выпускают через собственные границы. Дания, Нидерланды, Бельгия, Великобритания, Германия и Франция больше направляют выбросов диоксида серы к соседям, чем получают от них.
При изучении кислотности водоемов возникает вопрос, в какой степени кислотность определяется выбросами из антропогенных источников и не связаны ли изменения кислотности с природными факторами. В США проведен глубокий геолого-палеонтологический анализ, результаты которого свидетельствуют о том, что кислотность большинства озер в послеледниковый период была не выше рН 8. В настоящее время для тех же зон кислотность гораздо выше (рН 4,6–5,0 ).

Водоемы с различной естественной кислотностью водной среды населяют гидробионты, адаптированные к определенным интервалам концентраций водородных ионов (эвриионные организмы приспособлены к наиболее значительным колебаниям рН водной среды, стеноионные наоборот, жизнеспособны при незначительных колебаниях рН).

Антропогенное закисление пресноводных экосистем сопровождается глубокими перестройками водных биоценозов на всех трофических уровнях. По мере повышения кислотности водной среды уменьшается видовое разнообразие водных организмов, происходит смена доминантных видов, снижается интенсивность продукционных процессов. Общую направленность экологических изменений при закислении природных вод можно характеризовать как экологический регресс с присущей ему определенной направленностью развития целого комплекса общих по своему экологическому значению признаков: уменьшению видового разнообразия, устойчивости к внешним возмущениям, увеличению энтропии, упрощению межвидовых отношений, уменьшению пространственной гетерогенности, упрощению временной структуры популяций.
Отрицательные экологические последствия закисления пресноводных экосистем обусловлены воздействием на гидробионтов водородных ионов (Н+) и токсичных металлов, концентрации которых при закислении возрастают. Кроме прямого воздействия, связанного с изменением химического состава воды, существенное значение имеет и косвенное воздействие, связанное с изменением межвидовых отношений. Активная реакция водной среды (рН) является одним из важнейших экологических факторов обитания гидробионтов. Когда среда подкислена, яйцеклетки, сперма и молодь водных обитателей погибают. Ущерб не ограничивается гибелью водных организмов. Многие пищевые цепи, охватывающие почти всех диких животных, начинаются в водоемах. Прежде всего, сокращается популяция птиц, питающихся рыбой или насекомыми, личинки которых развиваются в воде.

При рН 5 резко снижается популяция рыб (озерной форели). Развитие популяций рыб отражает суммарные функции экосистемы. При рН воды выше 6 развитие популяций рыб устойчиво, некоторые нарушения наблюдаются при рН 5,5. Поддержание популяции при рН менее 5 практически невозможно. Так, при рН ниже 4,5 не обнаруживаются никакие ракообразные, улитки, мидии, и при этом не может жить никакая имеющая промысловое значение пресноводная рыба.

Литература

1. Голубев, Г.Н. Геоэкология: учебник для студентов вузов. М.: Аспект Пресс, 2006. – 288 с.
2. Гордин И.В. Игнорирование экологических угроз. М.: Физматлит, 2007. – 120 с.
3. Данилов-Данильян В.И., Лосев К.С. Экологический вызов и устойчивое развитие. М.: Прогресс-Традиция, 2000. – 416 с.
4. Дмитриев В.В., Фрумин Г.Т. Экологическое нормирование и устойчивость природных систем. Учебное пособие. СПб.: Наука, 2004. – 294 с.
5. Лосев К.С. Мифы и заблуждения в экологии. М.: Научный мир, 2011. – 224 с.
6. Петров К.М. Экология человека и культура: Учебник для вузов. СПб.: Химиздат, 2000. – 384 с.
7. Прозоров Л.Л., Экзарьян В.Н. Введение в геоэкологию. — М.: Пробел, 2000. – 207 с.
8. Телеш И.А. Современные проблемы геоэкологии: пособие. Минск: БГПУ, 2015. – 103 с.
9. Тимашев И.Е. Геоэкология как эколого-ландшафтная наука // Вестник Воронежского государственного университета. Серия География, геоэкология. 2007. №3. С. 114-120.
10. Фрумин Г.Т. Экология и геоэкология: мифы и реальность. СПб.: РГГМУ, 2011. – 236 с.
11. Фрумин Г.Т., Гильдеева И.М. Эвтрофирование водоемов – глобальная экологическая проблема // Экологическая химия. 2013. 22(4). С. 191–197.  
12. Ямковой И.А. Занимательная геоэкология в вопросах и ответах. Благовещенск: БГПУ, 2013. – 235 с.