Глобальное потепление, стабилизация биосферы Земли, экологическая безопасность промышленных предприятий.
Келль Л. С.
УДК 574
Аннотация. По имеющимся данным палеоклиматологии о состоянии климата Земли в прошедшие эпохи, глобальное потепление имеет в основном положительные последствия. Может быть, одной из основных планетарных задач человечества является возврат углекислого газа в атмосферу Земли, изъятого у неё в предыдущие периоды развития в виде каустобиолитов (уголь, нефть, газ и пр.) - стабилизация углеродного цикла биосферы? Также экологическая задача человечества - препятствовать попаданию биогенных элементов в природные водные экосистемы со сточными водами. Как пример соответствия промышленного предприятия критериям экологической безопасности рассмотрено производственное объединение "Киришинефтеоргсинтез".
Ключевые слова: глобальное потепление, углеродный след, продуктивность биосферы, сточные воды, биогенные элементы, цикл углерода, экологическая безопасность предприятий.
Палеоген (66-23 миллиона лет назад) - первый из периодов современной геологической эры - кайнозоя. Это, кстати, было хорошее время - палеогеновый постапокалипсис. Атмосфера окончательно пришла в современный, подходящий для человека вид с минимальным содержанием углекислого газа и умеренным - кислорода. Климат по всей планете стоял ровный и мягкий. Удушающее мезозойское пекло сменилось условиями умеренно-влажных тропиков. Леса - большей частью вечнозелёные лиственные и лишь в самых высоких широтах хвойные - шумели до северного побережья Гренландии включительно. Лишь в середине периода начало постепенно холодать и на полюсах образовались маленькие ледяные шапки [1]. Содержание углекислого газа в атмосфере в палеогене (палеоцен-эоцен) было приблизительно в пять раз выше современного (0,16% против 0,03% в настоящее время). Средние температуры тогда были выше современных приблизительно на 8 №С. Даже в Северном море в палеоцене температура поверхностных вод составляла около 17-18 №С, увеличившись в эоцене до 22-23 №С [2]. Так почему же мы так боимся небольшого увеличения содержания СО2 и потепления климата, которое наблюдается сейчас? Что плохого, если климат станет немного теплее и ровнее по всей планете? Может быть, мы боимся, что растают ледники, и часть суши окажется под водой? Но площадь суши практически не изменилась с течением времени. Поэтому, как во времена Пангеи (поздний палеозой - ранний мезозой), так и сейчас, сложив площади всех материков и островов, мы получим примерно одно значение - 150 тыс км², это 29% от площади поверхности Земли в целом ... как и 250 млн лет назад [3]. При этом сельскохозяйственные земли составляют не больше одной трети от площади суши, т. е. не более 10% от поверхности Земли [4].
Один из самых важных факторов вариаций климата - изменение интенсивности и характера вулканизма с периодичностью до десятков тысяч лет, в результате чего в атмосферу может попадать огромное количество парниковых газов, намного превышающее современные антропогенные выбросы [5]. Считается, что эта вулканическая активность 250 млн. лет назад привела к вымиранию почти 80% всех биологических видов на Земле [6].
По окончании пермо-карбонового оледенения, с наступлением мезозойской эры, на планете установился очень теплый климат, с полным отсутствием полярных ледяных шапок. Теплый климат на протяжении почти всего мезозоя, со средними температурами на 10-15 №С, превышающими современные, вероятно обеспечивало довольно высокое содержание парниковых газов в атмосфере, появившееся после мощной вулканической активности и сильнейшего вымирания на границе палеозоя и мезозоя, и поддерживавшееся на приблизительно том же уровне и далее, до конца мезозоя. В меловом периоде, например, концентрация углекислого газа в атмосфере была выше в 6-10 раз современной. Одной из причин, по которой в большей части мезозоя сохранялось высокое содержание углекислого газа в атмосфере, вероятно, было совершенствование круговорота углерода, обеспечившее более эффективный возврат его в атмосферу [2].
При этом подавляющее большинство растений (С3 - около 95%) приспособлено к более высокому содержанию СО2 в атмосфере. Так, по экспериментальным данным, удвоение текущей концентрации CO2 в атмосфере с 0,03 до 0,06% приведёт к росту продуктивности у С3-растений на 49 % [7].
Таким образом, на основании проведенного обзора можно сделать выводы:
- увеличение содержания СО2 в атмосфере по сравнению с сегодняшним (0,03%) делает климат более ровным и мягким
- в периоды развития Земли с очень теплым климатом и отсутствием полярных ледников площадь суши на Земле была такой же, как в настоящее время
- увеличение концентрации СО2 в атмосфере по сравнению с сегодняшним в два раза приведёт к росту продуктивности у С3-растений на 49 %.
- потепление и выравнивание климата увеличит площадь поверхности Земли, годной для сельскохозяйственной деятельности
То есть по имеющимся данным палеоклиматологии о состоянии климата Земли в прошедшие эпохи, глобальное потепление имеет в основном положительные последствия.
При этом модели, основанные на глобальном потеплении климата, прогнозируют сценарии разрушительных наводнений, засух, лесных пожаров, закисление океанов и возможного распада функционирующих экосистем, как на земле, так и в воде [8]. Отсюда Киотский протокол, квоты на выбросы парниковых газов, расчет углеродного следа. Однако, адекватные модели такой сложной экосистемы, как биосфера Земли построить невозможно. Поэтому более предпочтительно представляется доверять данным палеоклиматологии, чем моделям глобального потепления. Может быть, в частности, одной из основных планетарных миссий человечества является возврат углекислого газа в атмосферу Земли, изъятого у неё в предыдущие периоды развития в виде каустобиолитов (уголь, нефть, газ и пр.) - стабилизация углеродного цикла биосферы? Данная задача выполняется путем сжигания каустобиолитов [9].
В процессе эволюции экосистемы не только эффективно приспособились к базовым системам более низкого уровня - химическим системам, но и изменили их. Это снижение мутности воды и насыщение кислородом вод мирового океана водными экосистемами в процессе их эволюционного развития, создание почвы сухопутными экосистемами. Это и создание кислородной атмосферы. В глобальном масштабе это возникновение и совершенствование круговорота биогенных элементов.
Более высокие формы организации материи и системы состоят и включают в себя более низшие формы и системы. При этом более высокие формы и системы не только включают в себя более низшие формы и системы, но и стабилизирует их.
Так, химические системы, включая в состав атомов и молекул элементарные частицы, стабилизируют их в пространстве и во времени.
Аналогично биологические системы стабилизируют включаемые в их состав химические системы - снижают энтропию. "С общепланетарной точки зрения жизнь следует рассматривать как способ стабилизации существующих на планете геохимических циклов" [10].
Социальные системы также должны стабилизировать более низшие системы, в частности круговороты биогенных элементов в биосфере.
Таким образом, системы любого уровня не только приспосабливаются к системам более низкой ступени организации, но и стабилизируют их. От химических систем, до социальных и выше.
Системы, как и формы организации материи, существуют и включают в себя более низшие системы и сами являются основой для более высших систем. В частности биологические системы не могут существовать и не включать в себя химических систем. Недаром биологические системы наряду с названием "экосистемы" называют также "биогеоценозом", подчеркивая их связь с химическими компонентами Земли.
Точно также социальные системы (ноосистемы) не могут существовать и не включать в себя биологических систем (экосистем). Таким образом, условием существования и развития ноосистем является существование во всем своем структурно-информационном разнообразии экосистем.
Критериями успешного развития ноосистем являются:
- охрана и поддержание структурно-информационного разнообразия экосистем
- развитие науки и искусства - двух путей познания мира. Созидательная деятельность, познание окружающего Мира - являются основным смыслом жизни человека. Увеличение степени информационного содержания и упорядоченности материи и передача на более высокие уровни - является условием стабилизации и развития природных систем, в частности ноосистем [11]..
Основные принципы существования ноосистем, которые позволят им развиваться не подрывая свою первооснову - биосферу:
- Во-первых, все отходы функционирования ноосистем должны перед попаданием в экосистемы быть переведены в форму привычную для данных экосистем. Этот перевод может быть осуществлен различными методами, в том числе и с применением искусственно созданных экосистем.
- Во-вторых, ноосистемы должны эффективно встраиваться в пищевые цепи экосистем, не замедляя круговорот биогенных веществ.
-В-третьих, приоритетными по сравнению с количественными должны стать качественно-информационные показатели, определяющие развитие более высших форм организации материи. Эти приоритеты должны учитываться и при разработке демографической политики.
- В четвертых, стабильность ноосистем определяется наличием в них
эффективных ограничений и обратных связей [12].
Одной из планетарных задач человечества является стабилизация биосферы Земли. В частности путем стабилизации круговоротов биогенных элементов в биосфере.
Рассмотрим роль человечества в стабилизации круговорота основных биогенных элементов:
- как уже было отмечено, все отходы функционирования ноосистем должны, перед попаданием в экосистемы, быть переведены в форму привычную для данных экосистем. Это относится к твердым, жидким и газообразным отходам.
- водные экосистемы в отличие от наземных приспособлены к низкому содержанию биогенных элементов. Фосфор, содержащийся в сточных водах является основным биогенным элементом, вызывающим антропогенную эфтрофикацию природных водных экосистем. В частности, увеличение содержания фосфора в водных экосистемах вызывает бурное развитие (цветение) сине-зеленых водорослей, многие виды которых являются азотфиксирующими организмами и поэтому их развитие лимитируется именно содержанием фосфора в растворе. В свою очередь "цветение" сине-зелёных за счёт выделения токсинов и создания аноксидных зон ведёт к деградации и гибели водных экосистем. В конечном счете, при попадании фосфора в водные экосистемы он может быть надолго выведен из круговорота в виде осадка фосфатов. Поэтому именно удаление фосфора является одной из основных задач при очистке сточных вод, сбрасываемых в водные экосистемы [13, 14]. При этом, наземные экосистемы, наоборот, эволюционно приспособлены к высокому содержанию в них биогенных элементов, и дополнительное внесение в них углерода, азота, фосфора лишь увеличивает их продуктивность.
- углерод выводится из круговорота в виде ископаемого топлива - каустобиолитов (уголь, нефть, газ и пр.). Таким образом, в частности, одной из основных планетарных миссий человечества является возврат углекислого газа в атмосферу Земли, изъятого у неё в предыдущие периоды развития в виде каустобиолитов. Вместо поиска углеродного следа целесообразно направить силы и средства на решение насущных экологических проблем - возврат твердых, жидких и газообразных отходов функционирования ноосистем в экосистемы, с предварительным переводом возвращаемых отходов в форму привычную для данных экосистем.
Таким образом, среди промышленных предприятий можно выделить предприятия с биосферно положительной деятельностью, например:
- предприятия по переработке твердых отходов - осуществляют возврат переработанных отходов в ноосистемы или в экосистемы
- предприятия по очистке сточных вод - препятствуют попаданию биогенных элементов в водные экосистемы
- предприятия топливно-энергетического комплекса - способствуют возврату углерода в биосферный цикл
Такой взгляд на основные экологические проблемы в корне меняет отношение к предприятиям топливно-энергетического комплекса. Так как данные предприятия способствуют возврату углерода в биосферный цикл - стабилизируют углеродный цикл биосферы.
Рассмотрим работу промышленного предприятия на соответствие рассмотренным экологическим требованиям на примере производственного объединения "Киришинефтеоргсинтез". Данное предприятие занимается переработкой нефти, способствуя тем самым возврату углерода в биосферный цикл при последующем сжигании получаемых нефтепродуктов. Жидкие отходы предприятия - сточные воды проходят биологическую очистку на глубокое удаление биогенных элементов, после чего возвращаются в замкнутый цикл водопользования предприятия, либо сбрасываются в р. Волхов. При этом предприятие очищает до нормативных показателей на сброс в водоем не только собственные стоки, но и хозяйственно-бытовые стоки г. Кириши. Так, среднегодовое содержание фосфора фосфатов в очищенном хозяйственно-бытовом стоке г. Кириши за 2023 г. составило 0,06 мг/л, что в три с лишним раза ниже ПДК в рыбохозяйственном водоеме [15, 16].
Твердые отходы обезвреживаются методом сжигания. При этом углерод в виде СО2 возвращается в атмосферу, стабилизируя биосферный цикл углерода.
Газообразные выбросы сжигаются на факеле или проходят глубокую очистку - СО2 также возвращается в атмосферу.
Отдельно стоит остановиться на важном биогенном элементе - фосфоре. Как уже было отмечено в данной статье, биогенные элементы в сбрасываемых стоках губительны для водных экосистем, при этом биогенные элементы положительно сказываются на продуктивности наземных экосистем. Внедренный на производственном объединении "Киришинефтеоргсинтез" способ биологической дефосфотации сточных вод с зонами "дозревания" позволяет глубоко удалять фосфор из очищаемой воды без применения реагентов, концентрируя его в активном иле. При последующем сжигании ила с прочими твердыми отходами мы получаем золу обогащенную фосфором, что является хорошей предпосылкой для её использования в качестве удобрения.
Заключение.
- Одной из основных планетарных задач человечества является стабилизация круговоротов биогенных элементов в биосфере. В частности возврат углекислого газа в атмосферу Земли, изъятого у неё в предыдущие периоды развития в виде каустобиолитов (уголь, нефть, газ и пр.) - стабилизация биосферного цикла углерода. Данная задача выполняется путем сжигания горючих полезных ископаемых. Не нужно тратить силы и средства на так называемое сокращение углеродного следа.
- Водные экосистемы, в отличие от наземных, эволюционно приспособлены к низкому содержанию биогенных элементов. Поэтому экологическая задача человечества - препятствовать попаданию биогенных элементов в природные водные экосистемы со сточными водами.
- Предприятия топливно-энергетического комплекса способствуют возврату углерода в биосферный цикл - стабилизируют углеродный цикл биосферы.
- Примером соответствия промышленного предприятия критериям экологической безопасности (биосферно положительной деятельностью) является производственное объединение "Киришинефтеоргсинтез". Основная выпускаемая продукция предприятия - это топливо. Твердые отходы также сжигаются, что способствует возврату углерода в биосферный цикл и тем самым повышению продуктивности биосферы. При этом глубокое удаление из сбрасываемых сточных вод биогенных элементов - фосфора,азота и углерода, исключает их негативное влияние на водные экосистемы.
Список литературы.
1. Кай И. Палеоген: Монстры постапокалипсиса. https://paleontol.ru/paleogenovyj-period-monstry-postapokalipsisa-toptavshie-zemlju-50-millionov-let-nazad/ (дата обращения 02.11.2023)
2. Изменение содержания углерода в атмосфере в разные геологические периоды. https://studbooks.net/985983/ekologiya/izmenenie_soderzhaniya_ugleroda_atmosfere_raznye_geologicheskie_periody (дата обращения 02.11.2023)
3. Суша Земли https://umschool.net/library/geografiya/susha-zemli-1-0/ (дата обращения 02.11.2023)
4. Земельные ресурсы. Земельные ресурсы Земли. https://bookcovers.ru/land-resources-land-land-resources.html (дата обращения 02.11.2023)
5. Добрецов Н. Л. Климат во времени и пространстве .. Наука из первых рук. 2010, том 36. Љ6. с. 80-87
6. Добрецов Н. Л. Катастрофические извержения вулканов - готово ли к ним человечество? // Наука из первых рук. 2018, Љ 5. с. 74-79
7. Углекислый газ в атмосфере Земли. https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A3%D0%B3%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D0%B8%D1%81%D0%BB%D1%8B%D0%B9_%D0%B3%D0%B0%D0%B7_%D0%B2_%D0%B0%D1%82%D0%BC%D0%BE%D1%81%D1%84%D0%B5%D1%80%D0%B5_%D0%97%D0%B5%D0%BC%D0%BB%D0%B8 (дата обращения 02.11.2023)
8. 10 самых серьезных последствий глобального потепления. https://www.infoniac.ru/news/10-samyh-ser-eznyh-posledstvii-global-nogo-potepleniya.html (дата обращения 02.11.2023)
9. Келль Л. С. Глорбальное потепление - углеродный след // Самиздат http://samlib.ru/k/kellx_l_s/kell22.shtml (дата обращения 02.11.2023)
10. Еськов К.Ю. История земли и жизни на ней. М.: Мирос, 1999. 143 с.
11. Келль (3) Л. С. О самоорганизация материи. Общество среда развитие, 2010г., N4, с. 206-208. URL http://www.terrahumana.ru/arhiv/10_04/10_04_42.pdf Дата обращения: 02.11.2023 .
12. Келль Л. С. Экологическая биотехнология. Спб.: Лань, 2022, 232 с.
13. Одум Ю. Основы экологии. Москва.: Мир, 1975. 740 с.
14. Келль Л.С. Принципы структурной организации экосистем // Экология и жизнь, 2007, N3, с. 37-39
15. Казаков А.В., Сомов В.Е. Биоочистка промышленных и городских сточных вод от соединений фосфора. Известия Санкт-Петербургского государственного технологического института (технического университета), 2023, Љ64(90), с. 79-82
16. Казаков А. В., Келль Л. С. Биологическая дефосфотация сточных вод на сооружениях биологической очистки хозбытовых сточных вод производственного объединения "Киришинефтеоргсинтез". Вода: химия и экология, 2023, N8, с. 46-52.