Трансформация геофизической экологической функции абиотических сфер Земли под влиянием техногенеза и ее последствия

УДК 624.131: 550.83

1 1 В.Т. Трофимов1, А.Д. Жигалин2

ТРАНСФОРМАЦИЯ ГЕОФИЗИЧЕСКОЙ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ ФУНКЦИИ АБИОТИЧЕСКИХ СФЕР ЗЕМЛИ ПОД ВЛИЯНИЕМ ТЕХНОГЕНЕЗА И ЕЕ ПОСЛЕДСТВИЯ

В ряду экологических функций сфер Земли, играющих важную роль в формировании экологических условий на Земле, геофизической функции «определена» роль регулятора энергетического обмена между живой и косной материей. Геофизическая экологическая функция реализуется через природные и техногенные физические поля, суммарный потенциал которых является фактором физического (энергетического) воздействия на живые организмы. В результате может возникать энергетический дисбаланс, приводящий к изменению экологической обстановки, окружающей человека, и сосуществующий с ним мир живых организмов.

Ключевые слова: экологические функции, природные и техногенные физические поля, энергетическое воздействие, экологическая обстановка.

Among the ecological functions of spheres of Earth which are playing an important role in formation of ecological conditions on Earth, geophysical function the role of the regulator of a power exchange between a live and inert matter "is defined". Geophysical ecological function is realized through the natural and technogenic physical fields which total potential is a factor of physical (power) impact on live organisms. As a result there can be the power disbalance leading to change of an ecological situation, surrounding the person and the world of live organisms coexisting with it.

Key words: ecological functions, natural and technogenic physical fields, power influence, ecological situation.

Введение. В конце ХХ столетия начались научные эколого-геологические исследования в рамках новой концепции — экологических функций литосферы. Были выделены четыре функции литосферы, играющие важную роль в формировании экологических условий на планете Земля: ресурсная, динамическая, геохимическая и геофизическая [Трофимов, Зилинг, 1997; Экологические..., 2000]. В этом ряду геофизической экологической функции была отведена роль регулятора энергетического обмена между живой и косной (в соответствии с определением В.И. Вернадского) материей, что необходимо для поддержания динамического равновесия, обеспечивающего существование биосферы в целом и отдельных ее компонентов, экосистем, во взаимодействии с другими сферами [Богословский и др., 1999, 2000; Экологические., 2000]. Идеи, рассматриваемые в рамках концепции, оказались достаточно продуктивными и в значительной степени универсальными, что позволило выйти за рамки взаимоотношений и взаимовлияния литосферы и биосферы и расширить область ее применения на другие сферы планеты — гидросферу, педосферу и атмосферу [Добровольский, Никитин, 1986; Ясаманов, Никитин, 2001].

Под экологическими функциями абиотических сфер Земли было предложено понимать все многообразие функций, определяющих и отражающих роль и значе-

ние этих геосфер, включая их состав, объем, динамику функционирования, геохимические и геофизические поля, в жизнеобеспечении биоты, в первую очередь человеческого сообщества. В качестве таких функций были определены ресурсная, геодинамическая, геохимическая и геофизическая функции (рис. 1).

Геофизическая экологическая функция и ее техногенная трансформация. В ряду обозначенных экологических функций геофизическая занимает особое положение, поскольку действующим агентом в отношениях внешнего мира с биосферой является не вещество (что характерно для остальных видов экологических функций), а энергия, представляющая собой специфический вид проявления материального мира. Содержание этой функции определено так: геофизическая экологическая функция абиотических сфер Земли отражает свойства геофизических полей литосферы, педосферы, атмосферы и поверхностной гидросферы природного и техногенного происхождения влиять на условия жизни биоты в целом, включая человека [Трофимов, 2005].

Геофизическая экологическая функция реализуется через природные геофизические поля, к которым в современную эпоху добавился суммарный потенциал техногенных физических полей [Богословский и др., 1999, 2000]. Техногенные физические поля (эти поля также следует относить к категории геофизи-

1 Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, геологический факультет, докт. геол.-минерал. н., профессор, зав. кафедрой инженерной и экологической геологии; e-mail: trofimov@rector.msu.ru

2 Институт геоэкологии имени Е.М. Сергеева РАН, зав. лабораторией; Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, геологический факультет, кафедра инженерной и экологической геологии, вед. науч. с., канд. геол.-минерал. н., ст. науч. с.; e-mail: zhigalin.alek@yandex.ru

процессы, происходящие на поверхности Земли и в ее недрах, а также в околоземном и отдаленном космическом пространстве. Основные, внешние по отношению к нашей планете источники — Солнце (агенты воздействия — сила гравитации, электромагнитное излучение, корпускулярное излучение и магнитное поле) и Луна (агент воздействия — сила гравитации). Вклад иных источников, удаленных от Земли и/или периодически и эпизодически к ней приближающихся, менее заметен. К внутренним земным, природным источникам энергии, которые также могут влиять на условия существования биосферы, следует относить протекающие в недрах планеты тектонические процессы, землетрясения, вулканические проявления, а также процессы, происходящие в магнитосфере, в толще атмосферы и Мировом океане.

К техногенным источникам физических полей относятся промышленные агрегаты, машины и механизмы, строительная техника, транспортные средства, техническое оборудование коммунального хозяйства, бытовая техника и многие другие объекты, воздействие которых связано с производством, передачей и использованием энергии. Сопоставление энергетики природных процессов и возможностей Homo faber (человека деятельного) приведено в табл. 2. Из данных табл. 2 следует, что верхний предел энергетических возможностей современного человечества в количественном выражении сопоставим с энергетикой проявления природных процессов. Это в полной мере оправдывает тезис, согласно которому человек характеризуется как мощная геологическая сила. Правда, указанные энергетические характеристики техногенных источников относятся к случаям чрезвычайным, тогда как ординарные, повседневные показатели скромнее, но, если вернуться к данным табл. 1, и они очень часто выше допустимых санитарных норм и приемлемых инженерных пределов.

Таблица 1

Сравнительные характеристики некоторых природных и техногенных физических полей

Вид физического поля Единицы измерения Уровень поля

фоновый технологический санитарный предел технический предел

Магнитной индукции нТл (50—60)-103 * 20—1600 ** 250

Акустическое дБ (А) 25-30 80—120 45—60 —

Вибрационное мм/с 0,02-0,50 0,02—16,0 0,12 0,20—0,40

Температурное °С от —2 до +10*** от —160 до +1500 16—24 —

Электрическое электрическая составляющая электромагнитного поля поле блуждающих токов атмосферное электричество кВ/м 10-6 2,5—10,0 5,0 —

мВ/м 5—10 10—300 — 3—5

+ион/-ион 1,15—1,20 1,0—1,5 — —

Радиационное мЗв/год 0,3—2,2 1,6 1,8 —

* Постоянное геомагнитное поле; ** переменное техногенное магнитное поле; *** температура в грунтовой толще на глубине 1,0-1,5 м.

Рис. 1. Назначение и виды экологических функций абиотических сфер Земли [Трофимов, 2005]

ческих, поскольку средами — носителями их являются сферы Земли), которые имеют свои природные аналоги, существенно превосходят их по оценочным характеристикам. Более того, в ряде случаев эти поля по уровню гораздо выше санитарных норм, как это следует из данных, приведенных в табл. 1. Поэтому суммарный потенциал природных и техногенных физических полей с доминирующей ролью последних следует рассматривать как реальный фактор энергетического регулирования условий существования биосферы и вместе с тем возможной глубокой трансформации природной геофизической экологической функции разных сфер Земли (литосферы, педосферы, гидросферы и атмосферы).

Воздействие природных и техногенных (иногда их называют технологическими) физических полей сводится к передаче энергии от объектов-источников к окружающей среде и другим объектам, находящимся в зоне их воздействия. Природными источниками физического (энергетического) воздействия являются

Таблица 2

Сопоставление энергетических характеристик природных и техногенных процессов

Природные источники энергии Энергия, Дж Техногенные источники энергии Энергия, Дж

Энергия вращения Земли 1029

Электромагнитная энергия Солнца (сутки) 1022

Удары космических тел 1017—1023

Вулканы и землетрясения 1010—1018 Мировое суточное потребление энергии « 1018

Смерчи, ураганы; лавины; обрушение склонов; карстообразование 106—1017 Ядерные взрывы, обрушение горных выработок, крупные пожары на нефтегазовых месторождениях 1014—1018

Старт тяжелого космического корабля, взрывы на топливопроводах 109—1012

Дифференцируя уровень возможного физического энергетического воздействия по четырехступенчатой схеме, учитывающей отклик геологической среды (первоначально литосферы) на это воздействие, как нижий—умеренный—сильный—опасный, безопасным можно считать уровень воздействия с выделением энергии до 106—108 Дж. В этом случае кардинальные изменения окружающей среды (среды обитания экосистем), как правило, не происходят. При выделенной энергии, превышающей 108 Дж, уровень воздействия следует характеризовать как высокий (108—1010 Дж) и опасный (1010—1018 Дж).

Воздействие земных и околоземных природных источников энергии в обычном режиме не нарушает гомеостатических границ экосистем. Достаточно широкий интервал изменения этих границ, если рассматривать экосистемы в различных экологических условиях, свидетельствует о высоких адаптивных возможностях биосферы, сформировавшихся за геологическое время коэволюционного развития живой и неживой материи на Земле. Поэтому изменения, происходящие в биосфере, можно рассматривать как естественную эволюцию этой оболочки нашей планеты.

Техногенное физическое воздействие, разнообразное по виду и иногда весьма существенное по энергетическому потенциалу, способствует трансформации геофизической экологической функции и как следствие изменению условий существования экосистем, и в том числе человеческой популяции. Ситуация усугубляется тем, что такого рода воздействие реализуется на ограниченных территориях (в пределах областей интенсивного освоения), и его уровень изменяется уже не в геологическом (оцени-

ваемом по крайней мере в десятки тысяч и миллионы лет), а в историческом времени. Поэтому у живых организмов просто нет возможности адаптироваться в быстро меняющейся экологической обстановке, а заложенного природой «приспособительного потенциала» оказывается недостаточно. Как следствие мы наблюдаем угнетение, деградацию и в экстремальных ситуациях гибель отдельных наименее способных к перестройке экосистем, форсированную сукцессию и другие негативные процессы. С одной стороны, человек в этой ситуации оказался более приспособленным к изменчивости окружающего его энергетического фона благодаря используемым всякого рода защитным технологиям и устройствам. С другой стороны, он стал уязвимее, поскольку, наращивая энергетический потенциал, создает себе все новые трудности, зачастую сопровождающиеся снижением сопротивляемости его организма даже обычному в общении с природой воздействию.

Под воздействием высокого техногенного энергетического потенциала происходит трансформация геофизической экологической функции во всех сферах Земли (литосфере, гидросфере и атмосфере), что может приводить к существенному энергетическому дисбалансу. Это в свою очередь проявляется в формировании так называемого техногенного физического (энергетического) загрязнения. Устойчиво сохраняющееся длительное время физическое загрязнение может приводить к негативным изменениям окружающей природы и среды обитания, деструкции инженерных сооружений и, что наиболее важно с экологических позиций, физиологическим изменениям в живых организмах (рис. 2).

За длительное время природные и техногенные физические поля сформировали так называемую энергосферу, представляющую собой один из компонентов геотехносферы (ноосферы) и одновременно заметный фактор влияния на экологическую обстановку в пределах приповерхностной части планеты. Энергетическое воздействие вследствие трансформации геофизической экологической функции литосферы, гидросферы и приземной атмосферы изменяет экологическую обстановку, окружающую человека и сосуществующий с ним мир живых организмов. В табл. 3 приведены качественные и количественные оценки происходящих изменений окружающей среды в категориях техногенное загрязнение — экологическое состояние среды — условия жизнедеятельности человека — состояние организма человека. Там же приведены пороговые значения некоторых физических полей, наиболее значимых с точки зрения формирования экологической обстановки.

Практические наблюдения состояния окружающей энергосферы показывают, что в повседневной жизни мы постоянно имеем дело с аномальными ее проявлениями. В качестве иллюстрации приведены результаты измерений магнитной и электрической составляющих техногенного электрического поля,

Природные и техногенные (гео)физические поля:

- гравитационное

- магнитное

- температурное

- барическое

- электрическое

- радиационное

- сейсмическое

- вибрационное

- акустическое

---------------------I

Изменение свойств окружающей среды I

Деструктивные изменения инженерных сооружений

Физиологические изменения в живых организмах

Техногенная трансформация экологических функций

> г

Геофизическая экологическая функция сфер Земли

1

Формирование техногенного физического (энергетического) загрязнения

Воздействие природных и техногенных (гео)физических полей на природные и природно-технические системы

Рис. 2. Формирование физического загрязнения и его последствия при техногенном изменении геофизической

экологической функции

Таблица 3

Оценка техногенного воздействия, уровня физического (энергетического) загрязнения и экологических условий окружающей среды

Вид оценки Категория

I II III IV

Техногенное физическое воздействие слабое умеренное сильное опасное

акустическое (шум), дБ (А) вибрационное, виброскорость, мм/с электрическое, кВ/м < 30 30-65 65-120 >120

< 0,31 0,31-2,5 2,5-94 >94

< 5 5-10 10-25 >25

Техногенное загрязнение низкое среднее высокое очень высокое

Экологическое состояние среды экологическая норма экологический риск экологический кризис экологическое бедствие

Условия жизнедеятельности человека комфортные дискомфортные очень дискомфортные опасные

Состояние организма человека здоровье напряжение утомление болезнь

Таблица 4

Результаты измерения параметров техногенного электромагнитного

поля

Объект исследования Место измерения вблизи источников* Магнитная индукция, В, нТл Напряженность электрического поля, Е, кВ/м

Фабрика производственные помещения 165-1600**

лаборатория 1450**

заводоуправление 90-220

Учебное заведение административные помещения 40-510**

аудитории 200-1110**

лаборатории 20-370**

библиотека и читальный зал 460**-800**

столовая 210-500**

Жилой дом кухня 190-270** 2,0-0,2

жилые комнаты 60-210 0,1-0,6

ванная комната 140

Санитарная норма 250 5,0

* Источники физических полей — оборудование цехов и лабораторий, вычислительная и оргтехника, бытовая техника и бытовое электронное оборудование; ** значения магнитной индукции, превышающие санитарную норму.

Медицинский аспект

Профессиональные заболевания

Детская заболеваемость

Специфические заболевания

Биологический аспект

Техногенное физическое воздействие Изменение видового состава

^ --- Общая деградация экосистем

Экологические катастрофы

Геологический аспект

Изменение геологических условий

Изменение видового состава экосистем

Экологические катастрофы

Рис. 3. Экологический отклик на техногенное физическое воздействие — медицинский, биологический и геологический аспекты

проводившихся на одном из промышленных предприятий, в учебном заведении и в жилых помещениях (табл. 4).

Источниками электромагнитного излучения, вблизи которых проводились измерения, были фабричное производственное и вспомогательное оборудование, компьютерная техника, оргтехника, а также бытовая техника и домашнее электронное оборудование. Результаты измерений показывают, что в непосредственной близости от источника электромагнитного поля параметры, характеризующие интенсивность его излучения, в ряде случаев, в том числе практически во всех помещениях учебного заведения, где занимаются студенты (в аудиториях, лабораториях и библиотечных помещениях), по величине превышают допустимые санитарные нормы. Следует иметь в виду, что практически каждое используемое оборудование снабжено инструкцией по безопасному обращению с ним. Однако пользователи при работе с электронным оборудованием этими инструкциями зачастую пренебрегают, подвергая себя электромагнитному воздействию высокого и опасного уровня. В первую очередь, как видно из данных табл. 4, речь идет о воздействии высокочастотной магнитной составляющей техногенного электромагнитного поля.

Последствия техногенной трансформации геофизической экологической функции. Экологические последствия воздействия природных и техногенных физических полей на организм человека и другие субъекты биосферы выражаются в обнаружении в пределах зоны воздействия аномальной (по видам и численности) заболеваемости населения (медицинский аспект), общей деградации экосистем или от-

дельных их компонентов в зависимости от изменения экологической обстановки (биологический аспект) или геологических условий с последующим влиянием на биоценозы (геологический аспект), как это видно на схеме, представленной на рис. 3. При оценке изменений в медико-санитарной и экологической ситуации используются нормативные документы, действующие применительно к району проводимых обследований. Качественные оценки при этом соотносятся с измеренными величинами воздействующих геофизических полей.

Продемонстрированные в табл. 4 результаты натурных наблюдений магнитной (магнитной индукции) и электрической (напряженности электрического поля) составляющих переменного электромагнитного поля, создаваемого окружающими нас электрическими и электронными устройствами различного назначения, показывают тот энергетический фон, который наблюдается повсеместно на освоенных территориях с развитой инфраструктурой. К тем данным, которые приведены в табл. 4, следует добавить такой техногенный фактор, как так называемые блуждающие токи. Блуждающие токи представляют собой фактор опосредованного экологического воздействия, поскольку не влияют на живые организмы. Однако, усиливая электрохимическую коррозию, способствующую сокращению службы металлических и железобетонных конструкций, такого рода фактор может оказаться причиной возникновения чрезвычайных экологических ситуаций, например, в случае коррозионного повреждения канализации, магистральных труб подачи тепла, нефтепродуктов, химических реагентов и др.

Энергонасыщенность литосферы, гидросферы и приземной атмосферы в пределах урбанизированных территорий и зон интенсивного хозяйственного использования создает особые условия для современной нам биосферы. Дилемма невозможности отказаться от используемых ныне энергоемких технологий, обеспечивающих жизнедеятельность человека, и необходи-

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Богословский В.А., Жигалин А.Д., Зилинг Д.Г. и др. Геофизические аспекты исследований экологических функций литосферы // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 4. Геология. 1999. № 1. С. 59-64.

Богословский В.А., Жигалин А.Д., Хмелевской В.К. Экологическая геофизика. М.: Изд-во Моск. ун-та, 2000. 256 с.

Добровольский Г.В., Никитин Е.Д. Экологические функции почвы. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1986. 137 с.

Трофимов В.Т. Об экологических функциях абиотических сфер Земли // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 4. Геология. 2005. № 1. С. 59-65.

мости сохранять оптимальные условия существования биосферы в условиях сформированной энергосферы представляет собой обширное поле деятельности для геологической, инженерной и геофизической экологии в рамках более широкой области знаний — экологии человека.

Трофимов В.Т., Зилинг Д.Г. Экологические функции литосферы // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 4. Геология. 1997. № 5. С. 8-17.

Экологические функции литосферы / В.Т. Трофимов, Д.Г. Зилинг, Т.А. Барабошкина и др.; Под ред. В.Т. Трофимова. М.: Изд-во Моск. ун-та, 2000. 432 с.

Ясаманов Н.А., Никитин Е.Д. Планетарно-геологиче-ская роль и экологические функции земной атмосферы // Жизнь Земли. 2001. № 3. С. 68-77.

Поступила в редакцию 08.10.2013