Основные понятия и показатели техногенеза.
2.1.Основные понятия и показатели техногенеза.
Техногенез или техногенная миграция является наиболее сложным видом миграции химических элементов в географической оболочке. Первые работы по изучению этого вида миграции связаны с именами В.И.Вернадского и А.Е.Ферсмана.
В.И.Вернадский выделил в географической оболочке новую систему - ноосферу, основным признаком которой является техногенная миграция (техногенез). В 1944 году он писал: «Ноосфера есть новое геохимическое явление на нашей планете. В ней впервые человек становится крупнейшей геологической силой…». Изучение геохимии ноосферы и техногенеза рассматривалось В.И.Вернадским как теоретическая основа рационального использования природных ресурсов, охраны природы и борьбы с ухудшением качества окружающей среды.
В 20ые годы ХХ века А.Е.Ферсман выявил зависимость интенсивности использования элементов от их положения в Периодической системе, т.е. зависимость от размеров атомов, ионов и от кларков.
Сопоставимость деятельности человека с геологической стала отчетливо видна с 60-ых годов ХХ века. Человечество ежегодно добывает около 100 млрд. т минерального сырья и каустобиолитов. Горные и строительные работы перемещают не менее 1 км3 горных по (что сопоставимо с работой рек) (Е.М.Сергеев). С продукцией сельского хозяйства и промышленности происходит миграция элементов на огромные расстояния. Например, торговля зерном приводит к перемещению миллионов тонн К, сотен тысяч тонн Р и N. Масштабы многих процессов техногенеза превосходят природные: ежегодно добывается Pb почти в 70 раз, Cr – в35, Cu в 30, P – в 20, Mn и Fe – в 10, Zn – в5, Al – в 3 раза больше, чем выносится с речным стоком. Из недр земли добывается больше химических элементов, чем включено в биологический круговорот. В результате техногенного извлечения из горных пород дополнительных количеств химических элементов редко встречающихся в географической оболочке, происходит обогащение ими биосферы. С геохимических позиций этот процесс является процессом становления ноосферы.
Техногенез - это совокупность геохимических и геофизических процессов, связанных с деятельностью человечества.
В геохимическом аспекте техногенез включает:
1. извлечение химических элементов из природной среды (добыча полезных ископаемых), их концентрацию (обогащение руды на горнообогатительных комбинатах);
Рекомендуемые материалы
2. перегруппировку химических элементов, изменение химического состава соединений, в которые эти элементы входят, а также создание новых химических веществ (выплавка сплавов черных и цветных металлов, создание полимерных материалов);
3. рассеяние вовлеченных в техногенез элементов в окружающей среде. Рассеивание химических элементов может быть планомерным процессов (внесение химических удобрений, орошение полей сточными водами, компостами) и побочным непредусмотренным процессом (выбросы в атмосферу продуктов сгорания, загрязнение почв и водоемов промышленными стоками, аварийные выбросы).
Энергетические основы техногенеза.
В ноосфере используется текущая солнечная радиация и энергия былых биосфер, заключенная в ископаемом топливе. Кроме того. Человек производит энергию, чуждую биосфере – атомную.
Поэтому техногенные ландшафты имеют еще большую неравновесность, чем природные, что создает предпосылки для более высокой самоорганизации. Но этот потенциал остается невостребованным, так как незнание законов самоорганизации этих систем приводит к уменьшению устойчивости и деградации систем (А.И.Перельман, Н.С.Касимов).
Используемая в ноосфере энергия частично производит работу, частично выделяется в виде тепла. Пока эффект техногенного разогрева сравнительно невелик, в 25 тыс. раз меньше солнечного (в крупных городах выделение техногенного тепла составляет около 5% от солнечного). Но при условии ежегодного роста производства энергии от 5 до 10% через 100-200 лет техногенное тепло будет сопоставимо с величиной радиационного баланса. Это приведет к существенным изменениям климата.
Загрязнение окружающей среды. Критерии отнесения территории к загрязненным.
Отрицательное воздействие техногенеза объединяется понятием загрязнение природной среды.
В различных геосистемахгеохимически нормальный фон и амплитуда его временных изменений существенно различны, что обуславливает невозможность определения единого уровня концентрации тех или иных техногенных веществ, вызывающих эффект загрязнения. Геохимическое своеобразие ландшафтов разных природных зон делает также весьма условными единые для всех природных зон нормы предельно допустимых концентраций загрязнителей. Поэтому при решении проблем загрязнения окружающей среды необходимо учитывать ландшафтно-геохимические особенности конкретной территории. Они должны учитываться на всех этапах работ: при постановке экспериментальных исследований, при прогнозе влияния техногенеза на экосистемы, при выборе системы мониторинга и организации мер охраны среды.
В соответствии с положением В.И. Вернадского о ведущей роли живого вещества в биосфере и слагающих ее биокосных телах критерием загрязненности должно быть состояние и функционирование присущих данной системе живых организмов. В незагрязненных биокосных системах пределы колебаний концентрации техногенных веществ, а также формы их нахождения в данной системе должны удовлетворять следующим условиям:
1.Не нарушаются газовые, концентрационные и окислительно-восстановительные функции живого вещества системы, регулирующие геохимическое самоочищение системы.
2.Изменения биохимического состава первичной и вторичной продукции не вызывают нарушения жизненных функций в каком-либо из звеньев пищевых цепей не только данной системы, но и за ее пределами.
3.Не понижается биологическая продуктивность системы.
4.Не снижается информативность системы: сохраняется необходимый для существования системы генофонд.
При нарушении любого из перечисленных условийпроисходит техногенная трансформация данной природной системы, а при критических уровнях техногенного воздействия - ее разрушение.
Показатели техногенеза.
Для характеристики интенсивности добычи химических элементов и их потребности в производстве используют понятие технофильность - отношение массы ежегодной добычи или производства элемента (в тоннах) к ее кларку в литосфере (А.И.Перельман). Объемы добычи разных элементов существенно различаются, например добыча С исчисляется миллиардами тонн, а Tl,Pt,Th,Ga,In – десятками тонн. Эти различия связаны со свойствами элементов (ценностью для хозяйства), технологией их получения и способностью к концентрации в земной коре, а также кларком в литосфере. Например, существенные различия в распространенности железа и золота (их кларки соответственно равны 4,65% и 4,3х10-7%) определяют различия в объемах добычи. Исключительная роль железа в развитии человеческой цивилизации определяется его большим кларком, повсеместным распространением и сравнительной простотой обработки.
Технофильность очень динамичное понятие, которое существенно изменялось от эпохи к эпохе. На заре человеческой цивилизации использовались лишь 18 элементов, в ХУIII веке – 28, в XIX – 62, в 1915 году 71. В настоящее время в техногенез вовлечены все известные на земле элементы. Кроме того неизвестные в естественных условиях нептуний, плутоний и другие трансурановые элементы и радиоактивные изотопы. В начале нашего века технофильность ряда элементов, рассчитаннаяА.Е.Ферсманом, менялась почти в 200 раз. Сейчас она меняется значительно медленнее. Растет технофильность углерода (увеличение добычи нефти и газа), фосфора, магния (увеличение производства фосфорных удобрений, доломита, магнезита). Развитие новых отраслей (электроники, космической техники и теплоэнергетики) привели к увеличению в 5 - 10 раз технофильности таких редких элементов как Th, In, Hf, Nb, Zr, Be, Ga.
Объемы добычи тех или иных элементов определяются такими параметрами как экономические потребности и прогресс техники. Но все же регулирующей является кларк. И чем дальше, тем теснее будет зависимость добычи от кларка, так как богатые месторождения будут отработаны и человечество перейдет к эксплуатации гранитов, базальтов и других горных пород, в которых содержание элементов близко к кларковым.
Технофильность элемента рассчитывают для отдельной страны или группы стран – это региональная технофильность или для всего мира – глобальная технофильность. Значения технофильности позволяют определять изменения элементарного состава ландшафтов, накопление в них технофильных элементов. На это обратила внимание М.А.Глазовская, отмечая, что культурные ландшафты «ожелезнены» по сравнению с природными. В них больше относительная роль меди по сравнению с цинком, никеля по сравнению с кобальтом.. Ее анализ позволяет определить использование элементов, рассчитав его мировую добычу, региональную, или с учетом экспорта и импорта данного элемента. Наиболее высокую глобальную технофильность имеют: хлор, углерод, высока она у свинца, цинка, меди, хрома, молибдена, ртути.
Помимо технофильности существуют и другие показатели техногенеза.
Биофильность и деструкционная активность химических элементов.
Если Вам понравилась эта лекция, то понравится и эта - МАНДЕЛЬШТАМ Осип Эмильевич.
Биофильность - это отношение среднего содержания элемента в живом веществе планеты к кларку этого элемента. Повышенное содержание элемента с большойбиофильностью может иметь положительное значение для организмов. Повышенное содержание элементов с небольшойбиофильностью вызывает нарушение нормального функционирования организмов. Как правило, чем больше технофильность и чем меньше биофильность элемента, тем он на данном этапе развития технической деятельности опаснее для живых организмов, тем больше его деструкционная активность.
Показателем деструкционной активности (Глазовская М.А.)является отношение массы элемента, поступающего в окружающую среду с техногенными потоками к массе этого элемента в биологической продукции наземных организмов (его биофильности). Этот показатель характеризует степень опасности элементов для живых организмов. Все элементы с высокой деструкционной. активностью токсичны и их присутствие даже в небольших количествах может привести к деградациии гибели большинства организмов.
Наибольшие значения деструкционной активности (ряд деструкционной активности элементов или глобальный показатель деструкционной активности) имеет ртуть (Д=n x 104 – n x 105), для Cd и F этот показатель равен n 103, для SbAsPb – n 102, для SeBeSn – n х 10. Все остальные элементыимеют показатель деструкционной активности менее 1.
Деструкционная активность элементов может меняться в различных геохимических зонах. Например, представители флоры аридных районов терпимы к анионогенным элементам и выносят большее их содержание, чем флора гумидных областей (галогены, молибден, бор и барий).
В тоже время элементы, чья деструкционная активность в целом невелика, могут быть опасны в районах, где их содержание превышает средние уровни.
Количество элемента, выводимо ежегодно из техногенного потока вприродный назван техногенным геохимическим давлением, а его отношение к единице площади модулем техногенного давления (Н.Ф.Глазовский). Модуль техногенного давления измеряется в т/км2в год. Например, модуль техногенного давления фосфора на дальнем Востоке – 7.7 х 10-3т/км2, а для Молдавии, где широко применяются фосфорные удобрения – 8,2 х 10-1т/км2.Для всей поверхности суши наиболее велики модули техногенного давления Na, Cl, Ca, Fe (0,5 – 1,0), Li, Ag, W, Au, Hg, Tl (10-5 – 10-7). Иногда модуль техногенного давления определяется в расчете на одного жителя. В этом случае единица измерения – т/чел в год.
