Ноосфера: движение вещества, энергии, информации.

По мнению специалистов различных областей фундаментальной и прикладной науки, современный период в развитии цивилизации может рассматриваться как начало преобразования биосферы в ноосферу. Это глобальное явление с позиций общего развития Земли развивается чрезвычайно быстрыми темпами /2…8, 155…157/.

Согласно общепризнанному учению В.И. Вернадского, ноосфера представляет собой высшую стадию развития биосферы, характеризующуюся сохранением всех присущих ей естественных закономерностей, при максимальных возможностях общества удовлетворять материальные и культурные потребности человека и научной организацией техногенного воздействия на природную среду. Таким образом, ноосфера – это не просто общество, существующее в определенной среде, и не просто природная среда, подвергающаяся сильному воздействию общества, а нечто целое, в котором сливаются развивающееся общество и изменяемая природа. Возникает совершенно новый объект, в котором переплетаются законы живой и неживой природы, общества и мышления, а геохимические функции человечества характеризуются масштабами его производственной деятельности.

В современном понимании геохимическая деятельность человечества (техногенез) представляет собой процессы перемещения (перераспределения), происходящие в результате технической деятельности людей. После исследований В.И. Вернадского, показавших, что особенностью биосферы является неразрывная связь и взаимопроникновение живых организмов и неживой материи и в качестве важнейшего вывода, декларировавшего, что «… человек становится крупнейшей геологической силой», насущной задачей стала необходимость количественных оценок «геологической силы человека» /9…12/.

Для исследования процессов взаимодействия человека с природой используется понятие о самостоятельной оболочке Земли – «техносфере». Вместе с тем общепринятое определение техносферы до сих пор отсутствует. По определению Акимовой и Хаскина (1998): «Техносфера – «техническая оболочка» - искусственно преобразованное пространство планеты, находящееся под воздействием продуктов производственной деятельности человека. Техносфера - это глобальная совокупность орудий, объектов, материальных процессов и продуктов общественного производства» /3/. По определению, предложенному Юсфиным (2002), под техносферой понимается «пространство, в котором к основным процессам, определяющим ход развития, наряду с природными следует отнести антропогенные. Геометрически эта оболочка включает в себя часть экосферы, освоенную человеком» /8/. По определению Карабасова и Чижиковой (2006) техносфера представляет собой «часть биосферы, преобразованную в технические и техногенные объекты», то есть, тождественна артеприродной среде /7/.

По различным оценкам общая масса техносферы составляет около 20 Гт /3…7/. Основную ее часть образуют скопления пустой породы горных разработок, отработанных руд, перемещенных грунтов, производственных отходов, оставленные сооружения, развалины, культурные слои на земле и под землей, т.е. накопившееся за всю историю человечества техногенное вещество.

Современные исследователи процессов техногенеза подчеркивают, что использование природного сырья неразрывно связано с уровнем технологий и инновациями. Выполненные авторами /158…164/ расчеты показывают, что каждым жителем Германии за всю жизнь, средняя продолжительность которой составляет 78 лет, потребляется около 1000 т сырья (2001 год). В среднем на одного жителя стран западного мира в год требуется около 15 т сырья, а в развивающихся странах с переходной экономикой этот показатель примерно в 10 раз ниже (2001…2005 годы). Однако Китай, Индия, страны Юго-Восточной Азии и Латинской Америки быстрыми темпами развивают свою промышленность, и разрыв в потреблении ресурсов в разных регионах мира быстро сокращается /158…161/.

Оценка материальных потоков на уровне отдельной страны может служить наиболее объективным индикатором ее устойчивого развития /12, 22, 24, 41, 59/. Количественная оценка приращения техносферы ежегодно производится в Германии (с 1991 года), Японии и США (с 2000 года), Италии (с 2005 года). К сожалению, при этом используются разные методики и учитываются различные балансовые статьи. Однако в целом для передовых индустриальных стран можно отметить прирост техносферы, главным образом за счет строительства зданий, дорог, развития инфраструктуры, в размере около 10 тонн на человека в год. При этом доля металлов (по сути – стальных изделий) составляет от 3 до 7 % (от 300 до 700 кг/чел. год).

Все вещества в биосфере мигрируют в рамках биогеохимического цикла или круговорота. Принято выделять два основных круговорота: большой (геологический) и малый (биологический). Круговорот элементов рассматривается /2…8, 14, 147/ в качестве важнейшего параметра устойчивости биосферы и, как правило, определяется в виде суммы трех основных компонентов:

G = G^S + G^db + G^dg,

где G^S – запас элементов в антропосфере (техносфере), G^db – баланс элементов в малом биологическом круговороте, G^dg – баланс элементов в большом геологическом круговороте.

Участие элементов в биологическом круговороте характеризуется показателями биофильность (Bf) и биотичность (Bt)/4…8/. Показатель биофильности элементов представляет собой отношение содержания элемента в золе растений к кларку литосферы. Показатель биотичности элементов, оценивающий полноту биогеохимической связи с биосферой в целом, представляет собой отношение содержания элемента в живом организме к кларку биосферы. Чем выше показатель биотичности, тем интенсивнее растения накапливают данный элемент. В группу, характеризующуюся высокой биотичностью (>0,5), входят элементы с относительно высокими (К, Са), средними (S, Сl, Р) и низкими (Ва) кларками биосферы. Наименьшая биотичность свойственна элементам с очень высокими кларками биосферы (Si, Fе, Аl).

С развитием техносферы биогеохимические циклы трансформировались в технобиогеохимические. Для создания необходимой продукции и получения энергии человек находит, добывает и перемещает к местам переработки необходимые природные ресурсы, вовлекая их в ресурсный круговорот или ресурсный цикл. Ресурсный цикл часто определяется как «совокупность превращений и пространственных перемещений определенного вещества или группы веществ, происходящих на всех этапах использования его человеком» /4…8, 164…168/.

В природопользовании выделяют несколько ресурсных циклов, которые, несмотря на относительную самостоятельность, тесно связаны друг с другом. Например, известны и проанализированы циклы:

– почвенно-климатических ресурсов и сельскохозяйственного сырья и продукции,

– природных материально-сырьевых ресурсов,

– энергетических ресурсов,

– природных биологических ресурсов.

Эффективность организации антропогенных ресурсных циклов требует контроля ряда процессов, который еще не нашел свое место в системе управления ресурсами. Для этой цели предлагаются некоторые характеристики и показатели.

Потенциал самоочищения - геохимическая характеристика - способность геохимического ландшафтабез самоуничтожения разлагать отбросы и отходы, устранять их вредное влияние на Природу. Потенциал самоочищения в основном определяется особенностями самого ландшафта, в частности, развитием в его пределах различных живых организмов /5…7/.

Рекреационная нагрузка - степень влияния людей (их транспортных средств и строительства) на природные (биогенные) ландшафты или рекреационные объекты. Выражается числом людей (человеко-дней) на единицу площади в единицу времени /5…8/.

Технофильность - отношение годовой добычи элемента к его кларку в земной коре. Показатель введен А.И. Перельманом. Коэффициент технофильности (Kt) представляет собой отношение ежегодного объема добычи элемента к его кларку:

K_t = Q₁/K_l

где, K_t - коэффициент технофильности;

Q₁ - ежегодный объем добычи элемента, т;

K_l – кларк этого элемента.

Коэффициент технофильности является мерой использования данного элемента и может изменяться со временем. Наиболее высокую технофильность имеют С, Рb, Нg, Ni, Сu. С позиций геохимии в современных условиях преобразования биосферы в ноосферу именно для элементов с высокими коэффициентами технофильности должны происходить наибольшие изменения миграционных потоков.

Техногенная фиксация /4…8/. Коэффициент техногенной фиксации (Кf) равен отношению объема добычи элемента из недр земли (Q1) к объему его рассеивания за то же время (Q2):

K_f = Q₁/Q₂

K_f - коэффициент техногенной фиксации,

Q₁ - объем добычи элемента из недр земли, т;

Q₂ - объем рассеивания элемента за то же время, т.

Показатель относительного использования химических элементов представляет собой отношение количества элемента (в тоннах), поступающего в любой форме нахождения в определенный регион (страну, область, город) в течение года к его истинному кларку (фоновому содержанию). При подсчете показателя учитывается поступление элементов из других регионов в виде сырья, различных машин, механизмов, продуктов питания /4…8, 14/.

Показатель относительного техногенного накопления химических элементовпредставляет собой отношение количества элемента (в тоннах), накопившегося в ландшафте или в его определенной части в результате техногенеза, к кларку (местному фоновому содержанию) этого элемента в аналогичном природном ландшафте, не испытывающем техногенного воздействия /4…8, 14/.

При постоянно возрастающей скорости перехода биосферы в ноосферу проблемы объективной комплексной оценки состояния окружающей среды и разработки научно обоснованного прогноза изменений, происходящих под воздействием антропогенной деятельности, становятся все более актуальными. Это в первую очередь обусловливается непрерывно возрастающим загрязнением биосферы, сопровождающим различные техногенные процессы. Без объективной комплексной оценки невозможно как принятие научно обоснованных решений, связанных с охраной окружающей среды, так и рациональное использование природных ресурсов /3…8, 14, 165…168/.

Ноосфера подразумевает необходимость мониторинга и управления движением вещества, энергии и информации в масштабе, как минимум, биосферы и антропосферы (техносферы).Движение (круговорот) элементов в большом технобиогеологическом круговороте реализуется в подвижных средах (миграционными потоками). Особо выделяют миграционные потоки:

• гидросферный перенос (поверхностными, подземными и океаническими водами),

• атмосферный перенос,

• техносферный перенос (в результате промышленной деятельности и торговли).

Скорость движения элементов в технобиогеохимическом потоке зависит от свойств элементов, среды потока, ландшафтных условий. Технобиогеохимические потоки приводят к существенному перераспределению элементов в биосфере - дифференциации. Характер (обеднение или аккумуляция) и уровень дифференциации оценивается кларком концентрации. Кларк концентрации некоторого элемента ККi:

ККi = [Ci]/Kli

где [Ci] - концентрация элемента в конкретном объекте,

Kli - кларк того же элемента.

В связи с развитием техносферного переноса скорость движения элементов в технобиогеохимическом потоке во все большей степени определяется социальными факторами и может практически контролироваться и управляться с помощью законодательства /169…171/.

Функционирование техносферы, представляющей собой глобальную динамическую систему, основано на взаимодействии трех потоков: вещества, энергии и информации. Соотношение между потоками вещества, энергии и информации, как в живом организме, так и в технологическом процессе, в производстве, экономике в целом определяет важнейшие количественные и качественные характеристики деятельности системы. Поэтому в последние десятилетия активно предпринимаются попытки установления функциональной связи информации с веществом и энергией и количественного описания основных техногенных потоков, а также количественной оценки взаимодействия природных и техногенных миграционных потоков /6…8, 14, 147/.

 

Металлизация биосферы.

Важнейшей отличительной чертой переходного (из биосферы в ноосферу) периода является существенное увеличение массы химических элементов, прежде всего металлов, мигрирующих в форме техногенных соединений, не имеющих природных аналогов. Больше всего производится, а, следовательно, постепенно и рассеивается преимущественно в техногенных ландшафтах, черных металлов – железа и сплавов на его основе. Интенсивность миграции железа за последнее столетие увеличилась более чем в сто раз. В еще большей мере возросла интенсивность миграции рассеянных химических элементов. До начала формирования ноосферы они практически не добывались, а их рассеяние происходило из сплавов, в которых они присутствовали в виде случайных примесей. За последние 50 лет добыча большинства металлов и, следовательно, интенсивность их миграции возросла в десятки, сотни и даже тысячи раз /174…176/.

Для обобщенной оценки массы металлов, накопленных в техносфере, сформулировано понятие «коэффициента будущего загрязнения» /5…8, 94…96/. Он представляет собой отношение массы некоторого металла «присвоенного обществом» (то есть находящегося в техносфере) к массе этого металла, присутствующего в природной среде в естественном состоянии (то есть кларку концентрации элемента в биосфере).

«Коэффициент будущего загрязнения» превышающий единицу имеют: ртуть - 90; свинец - 71 медь - 60; цинк - 20; теллур - 15; кадмий - 10; мышьяк - 5; молибден - 4; хром - 3; никель - 2; олово - 2. Остальные металлы характеризуются коэффициентом меньше единицы.

Вторая половина XX века характеризуется резко возросшей интенсивностью и дальностью техногенной (социальной) миграции химических элементов. Она стала соизмеримой с другими видами миграции, происходящими в биосфере. Ее последствие – формирование технобиогеом: локальных геохимических аномалий с концентрациями некоторых химических элементов, иногда в тысячи раз превышающими их кларковое содержание, и региональных геохимических аномалий, захватывающих сотни тысяч квадратных километров /172, 173/.

В настоящее время практически все значительные по размерам селитебные ландшафты рассматриваются как крупные технобиогеомы, образовавшиеся в результате осаждения коллоидных частиц из атмосферного воздуха, гидросферного переноса сточными и подземными водами, формирования и перемещения техногенных грунтов. Основными источниками этих частиц являются промышленные предприятия, транспорт, сельское хозяйство. Техногенный вклад в формирование технобиогеом характеризуется факторами обогащения (интенсивностью техногенного переноса).

Фактор обогащения при переносе элементов из атмосферы (на землю или поверхность океана) определяет тот предел, до которого атмосфера привносит элемент сверх природного (фонового) уровня:

EFa=(Jm/Cm)/(Jim/Cim)

где, ЕFа - фактор обогащения при переносе из атмосферы на поверхность земли или океана;

Jm, Jim - средний поток (осадки) из атмосферы на землю или поверхность океана соответственно элемента m и индексного im, в качестве которого обыкновенно используется Аl, поскольку он циркулирует в атмосфере без заметных антропогенных изменений);

Сm, Сim - концентрация соответственно элемента m и индексного элемента im на поверхности земли (в почве) или в морской воде.

Фактор обогащения при переносе элементов водной средой (посредством рек):

EFw=(Cw/Cs)m/(Cw/Cs)im

где, ЕFw - фактор обогащения при переносе реками;

(Cw)m, (Сw)im - средняя концентрация элемента m и индексного im в пресной воде;

(Сs)m, (Сs)im - средняя концентрация элемента m и индексного im в почве.

ЕFw не учитывает транспорт элементов через донные отложения и растворимость элементов в пресной воде.

Низкие значения факторов обогащения при переносе из атмосферы на поверхность океана (за исключением Рb) являются доказательством того, что техногенный поток элементов из атмосферы в океан незначителен. В случае переноса элементов атмосфера - почва обнаружены значительные техногенные отложения (ЕFа>100) для Рb, Sb, Сu, Zn и особенно высокие для Нg, Сd (значения фактора обогащения равны 1972 и 5917 соответственно). Доказана значимость техногенного переноса реками Аg, Нg, Мо /4, 169/.

В соответствии с разработанной методикой определения глобальных элементопотоков металлов в природной и техногенной среде их движение, связанное с физическим или химическим превращением веществ, может быть описано с помощью следующих основных зависимостей.

Э = Э^пг + Э^пб + Э^т + Э^т_пр + Э^т_в,

где, Э - глобальный элементопоток металла в природной и техногенной среде;

Э^пг – поток элемента в рамках большого геологического цикла миграции (БГЦМ);

Э^пб – поток элемента в рамках малого биологического цикла миграции (МБЦМ);

Э^т – поток элемента в техносфере;

Э^т_пр – поток элемента на границе природной и техногенной сред (своеобразный «трансграничный перенос»), возникающий вследствие потребления человечеством природных ресурсов;

Э^т_в – «трансграничный» перенос выбросов из техногенной среды в природную, диссипация металлов.

Геологический цикл миграции можно подразделить на стадии движения металлов в основных природных средах: атмосфере (Э^пг_а), гидросфере (Э^пг_г), литосфере (Э^пг_л), и соответствующие трансграничные потоки между средами: перенос атмосфера – гидросфера (Э^пг_аг), атмосфера – литосфера (Э^пг_ал) и т.п. Тогда элементопоток металла в рамках большого геологического цикла миграции можно записать следующим образом:

Э^пг = Э^пг_а + Э^пг_г + Э^пг_л + Э^пг_аг + Э^пг_ал + Э^пг_га + Э^пг_гл + Э^пг_ла + Э^пг_лг.

Движение металла в техносфере описывается следующими зависимостями:

Э^т_вр + Э^т_пр + = Э^т_сп + Э^т_тм + Э^т_в,

Э^т_вр = Э^сп_вр + Э^тм_вр,

Э^т_пр = (Э^т_сп - Э^сп_вр) + (Э^т_тм - Э^тм_вр)+ Э^т_в,

Э^т_пр = ΔЭ_сп + ΔЭ_тм + Э^т_в,

где, Э^т_пр – поток элемента с природными ресурсами, вовлекаемыми в сферу производства,

Э^т_вр, Э^сп_вр, Э^тм_вр – потоки элемента с вторичными ресурсами, соответственно, суммарный, из сферы потребления, из техногенных месторождений,

Э^т_сп – поток элемента с продуктами производства в сферу потребления,

Э^т_тм – поток элемента с отходами производства и потребления, формирующими техногенные месторождения.

Принципиальная схема взаимодействия циклов миграции элементов и веществ в биосфере и техносфере приведена на рисунке 4.Большое количество исследовательских материалов позволяет выполнить количественную компиляционную оценку технобиогеохимических потоков некоторых элементов – металлов.

 

 

Рисунок 4. Взаимодействие циклов миграции элементов и веществ в биосфере и техносфере.