1.19: Ефекти першого порядку

ВСТУП

Різні компоненти земних систем взаємодіють один з одним через потік матерії та енергії. Наприклад, маса (вуглекислий газ і кисневі гази) обмінюється між біосферою і атмосферою під час фотосинтезу рослин. Гази рухаються через інтерфейс океану і атмосфери. Бактерії в грунті розкладають відходи, забезпечуючи поживні речовини для рослин і повертаючи гази в атмосферу. Крім того, дослідження льодових ядер Антарктики та Гренландії показують кореляцію між різкими змінами клімату та штормовою діяльністю в Атлантичному та Тихому океанах в історичні часи. Всі ці процеси пов'язані природними циклами, встановленими протягом мільярдів років земної історії.

Люди були присутні лише для крихітної частини земної історії, і протягом більшої частини цього часу їх присутність мало вплинула на глобальне середовище. Однак в новітній історії людське населення зросло і розвивалося до такої міри, що вона вже не є відносно пасивною присутністю в земних системах. За останні 200 років люди значно збільшили використання повітря, води, землі та інших природних ресурсів. Їх промислова та сільськогосподарська діяльність вплинула на атмосферу, кругообіг води та клімат. Щороку в атмосферу та водні системи додається велика кількість вуглекислого газу та забруднюючих речовин через спалювання викопного палива та промислових процесів. Екологічні системи також були змінені. Розмір природних екосистем зменшився, оскільки люди збільшують використання землі. Рослини та тварини були змінені людською сільськогосподарською практикою. Очевидно, що люди змінюють глобальне середовище та клімат. Незрозуміло, чи можуть земні системи пристосуватися до цих змін.

АТМОСФЕРОЮ

Земля багато в чому схожа на велику теплицю. Енергія, у вигляді сонячного світла, проходить через його атмосферу, хоча хмари, вода і земля відбивають частину цієї енергії назад в космос, деякі сонячні промені поглинаються, перетворюються в тепло і випромінюються назад в атмосферу як інфрачервоне випромінювання. Значна частина цього інфрачервоного випромінювання поглинається атмосферним вуглекислим газом та іншими газами, а не випромінюється в космос. Процес схожий на процес теплиці, коли інфрачервоні поглинаючі гази, такі як вуглекислий газ та метан, виступають в якості скляних стекол для уловлювання інфрачервоного тепла. З цієї причини ці гази відомі як парникові гази. Кінцевим результатом цього процесу є те, що атмосфера прогрівається.

Більше століття вчені обмірковували можливі наслідки, які зміна кількості парникових газів, таких як вуглекислий газ, матиме на клімат Землі. Однією з помітних теорій, що виникла з цього, є парниковий ефект. Згідно з цією теорією, якщо концентрація вуглекислого газу в атмосфері неухильно зростає, то атмосфера буде затримувати все більше тепла. Це може призвести до того, що середня температура поверхні землі зросте з часом. Побоювання можливими кліматичними наслідками призвело до зусиль щодо моніторингу рівня вуглекислого газу. Моніторинг розпочався наприкінці 1950-х років, а станції моніторингу були створені на Алясці, Антарктиді та Гаваях.

Станція Мауна-Лоа, Гаваї, працює з 1958 року. Дані, зібрані там більше 40 років, показують деякі цікаві тенденції концентрації вуглекислого газу в атмосфері. Концентрація вуглекислого газу змінюється циклічно залежно від сезону, причому максимуми спостерігаються під час осені та мінімуми навесні. Це слід за нормальним життєвим циклом рослин протягом року та пов'язаним з ними фотосинтетичним виходом. Поверх цих сезонних варіацій накладається довгострокове поступове збільшення концентрації вуглекислого газу. Що викликає це довгострокове підвищення? Чи збережеться тенденція?

Люди споживають велику кількість викопного палива, щоб керувати своїм високоіндустріалізованим суспільством. При спалюванні вугілля, нафти і природного газу виділяється значна кількість вуглекислого газу в атмосферу. За відносно короткий час люди випустили органічний вуглець в атмосферу, який зайняв сотні мільйонів років для зберігання в осадових породах. Вирубка лісів людьми - особливо в тропічних районах - також є джерелом чистого збільшення вуглекислого газу в атмосфері. Спалювання дерев виробляє вуглекислий газ безпосередньо, а видалення дерев також призводить до того, що менше вуглекислого газу видаляється з атмосфери шляхом фотосинтезу.

Однак незрозуміло, яка загальна роль наземної біосфери щодо проблеми вуглекислого газу. Ліси відросли в деяких регіонах світу (наприклад, на північному сході США). Ці додані ліси збільшують видалення вуглекислого газу з атмосфери. Крім того, деякі експерименти припускають, що підвищення концентрації вуглекислого газу в атмосфері може стимулювати ріст рослин в цілому. Якщо це правда, це також призведе до збільшення секвестрації вуглецю життям рослин. Моделі, що використовуються для прогнозування майбутніх рівнів вуглекислого газу в атмосфері, залежать від точного знання всіх відповідних джерел вуглецю та раковин. Залишаються питання щодо розміру, місця розташування та величини цих. Тому залишається значна невизначеність щодо того, чи буде концентрація вуглекислого газу в атмосфері продовжувати збільшуватися, замість цього зменшуватися або стане постійною.

Вуглекислий газ - не єдиний парниковий газ, який може суттєво вплинути на глобальний клімат. Газ метану також може бути головним гравцем. Він виділяється як побічний продукт органічного розкладання за допомогою мікробної активності, особливо зі звалищ. Це забруднювач, що виникає внаслідок використання викопного палива, і навіть виробляється великою рогатою худобою. Найбільшими родовищами метанового газу, однак, можуть бути океани і величезні тундрові пустки. Наприклад, у холодній воді метан може утворювати кристалічні структури, дещо схожі на водний лід, відомий як клатрати. Клатрати, як відомо, зустрічаються на краях континентальних шельфів океанів. Зустрічаються вони і в умовах вічної мерзлоти регіонів тундри. Коли виникають більш теплі температури, клатарати дестабілізуються, виділяючи накопичений метан. Збільшення парникового ефекту, який був би результатом викиду метану з клатратів на континентальних шельфах і в умовах вічної мерзлоти у всьому світі, може дорівнювати тому, що з вуглекислого газу, отриманого при спалюванні всіх світових запасів вугілля.

Накопичення парникових газів - не єдина атмосферна проблема. Концентрація хлорфторуглеродів (ХФУ) в атмосфері зросла з тих пір, як вони були вперше синтезовані більше 70 років тому.

Ці сполуки були використані як холодоагенти, аерозольні пропеленти, очищувачі електронних компонентів і для видування бульбашок в пінополістиролі. Більшість їх використання передбачають їх можливий викид в атмосферу. Оскільки вони хімічно дуже інертні і нерозчинні у воді, вони також не легко видаляються з атмосфери звичайними процесами, такими як опади. Тому концентрація ХФУ в атмосфері збільшується при тривалому вивільненні. Коли ХФУ в кінцевому підсумку піднімаються в стратосферу, вони можуть бути розбиті ультрафіолетовим випромінюванням сонця наступним чином:

CCl3f+УФ-енергія → Cl + CCl2f

Вільний хлор, який виробляється, може вступати в реакцію з озоном, який також присутній в стратосфері. Це має важливі наслідки для живих організмів на поверхні землі.

Озон в стратосфері захищає живі організми, поглинаючи більшу частину шкідливого ультрафіолетового випромінювання сонця. Цей озон постійно виробляється і руйнується в природному циклі. Основні реакції, що включають лише кисень (відомі як Реакції Чепмена), такі:

O2+УФ → 2 О

O + O2 → O3 (виробництво озону)

O3+УФ → O+ O2 (руйнування озону)

O + O2 → O3 (виробництво озону)

O3+ O → O2+ O2 (руйнування озоном)

Протягом 1960-х років вимірювання атмосферного озону показали, що він руйнується швидше, ніж це може бути враховано лише природним циклом. Встановлено, що інші, більш швидкі реакції контролюють концентрації озону в стратосфері. Серед найважливіших з них були ті, що стосуються атомів Cl, отриманих внаслідок розпаду CFC:

Сл + О3 → КЛО + О2

КЛО + О → Сл + О2

Оскільки нормальна доля атома O у вищезгаданій реакції полягала б у формуванні іншої молекули озону, чистий результат обох реакцій - усунення однієї молекули озону та однієї потенційної молекули озону. Крім того, в кінці реакції атом Cl може знову почати руйнівний цикл. За допомогою цієї каталітичної ланцюгової реакції один атом Cl може знищити близько 100 000 молекул озону, перш ніж інші процеси видалять його.

Руйнування озону, спричинене ХФУ, призвело до утворення «дірок» в стратосферному озоновому шарі над полярними регіонами, де шар найтонший. У 1987 році «Монреальський протокол» виклав всесвітній процес скорочення і врешті-решт ліквідації використання ХФУ.

Це, мабуть, було успішним, оскільки поточні спостереження показують, що збільшення ХФУ в стратосфері нівелюється. На жаль, пройде багато років, перш ніж рівень озону повернеться до норми через тривалий атмосферний термін служби (від 50 до 100 років) вже присутніх ХФУ.

Цікаво, що хоча озон у стратосфері корисний для життя на землі, озон у нижній атмосфері (тропосфері) може завдати шкоди життю, посилюючи дихальні недуги у людини та пошкоджуючи рослини. Озон в тропосфері виробляється природним шляхом блискавкою. Це також вторинний забруднювач, що утворюється фотохімічними реакціями за участю первинних забруднювачів, таких як оксиди азоту. Смоггі міста, такі як Лос-Анджелес, страждають від значного забруднення озоном. Дослідження показали, що спалювання біомаси також є основним джерелом забруднення озоном. Озон виробляється фотохімічним шляхом з молекул попередників, що виділяються при спалюванні лісів і луків. Спалювання біомаси в основному зосереджено в тропічних регіонах. Дійсно, супутникові спостереження Південної Америки та Нової Гвінеї показують, що тропосферний озон збільшується в тих районах, де переважає спалювання біомаси.

ОКЕАНИ

Для того, щоб зрозуміти роль, яку океани можуть відігравати у глобальній зміні клімату, потрібно розуміння динаміки змін циркуляції океану. Глобальна циркуляція океану контролюється термохалінної циркуляцією. Він обумовлений відмінностями в щільності морської води, яка визначається температурою (термо) і солоністю (халін) морської води. В Атлантиці термохалінна циркуляція транспортує теплу і дуже солону воду на північ. Там вода остигає і занурюється в глибокий океан. Ця новоутворена глибока вода згодом рухається на південь. Густа вода також тоне поблизу Антарктиди. Холодні, густі води з Північної Атлантики і Антарктиди поступово прогріваються і повертаються на поверхню, по всьому світовому океану. Вся система рухається, як гігантська конвеєрна стрічка. Рух дуже повільний (приблизно 0,1 метра в секунду), але потік еквівалентний потоку 100 річок Амазонки.

Ця система циркуляції забезпечує Західну Європу порівняно теплими температурами морської поверхні вздовж узбережжя та сприяє її м'якій зимі. Моделі циркуляції океану показують, що термохалінна циркуляція пов'язана з вмістом вуглекислого газу в атмосфері, і, отже, з парниковим ефектом. Збільшення вуглекислого газу в атмосфері може привести до уповільнення або повного руйнування циркуляційної системи. Можна очікувати зниження температури над Західною Європою за таким сценарієм. Однак будь-яка така зміна накладається на утеплення від посиленого парникового ефекту. Тому температура може бути незначна зміна температури над Західною Європою, і будь-яке охолодження може бути обмежене океанічною зоною далеко від суші. Потенційні наслідки таких змін циркуляції на морські екосистеми значною мірою невідомі, але, ймовірно, будуть значними. Крім того, якщо циркуляція в океанах зменшиться, їх здатність поглинати вуглекислий газ також зменшиться. Це зробило б ефект викидів вуглекислого газу, вироблених людиною, ще більш вираженим.

БІОТА

Біорізноманіття є важливою частиною будь-якої екосистеми. На біорізноманіття Землі суттєво впливає діяльність людини. Ці заходи часто призводять до втрати біорізноманіття. Ця втрата може бути наслідком ряду факторів, включаючи: руйнування середовища проживання, впровадження екзотики та надмірне збирання врожаю. З них руйнування середовища проживання, мабуть, є найважливішим. Люди знищують місця проживання з багатьох причин: сільськогосподарська експансія, розширення міст, будівництво доріг та будівництво водосховищ. Більші регіони, ніж ті, що безпосередньо знищуються, як правило, уражаються через фрагментацію середовища існування. Фрагментація середовища проживання призводить до того, що великі популяції розбиваються на менші популяції, які можуть бути ізольовані одна від одної і можуть бути недостатньо великими, щоб вижити.

Наприклад, Асуанська висока гребля Єгипту була побудована тому, що прагнення збільшити запас води для зрошення і потужності вважалося першорядним. Однак екологічні побічні ефекти були величезними і включають поширення захворювання шистосомозом равликами, які живуть у зрошувальних каналах; втрата землі в дельті річки Ніл від ерозії після того, як колишнє осадове навантаження річки більше не було доступним для землі будівництво; і безліч інших наслідків. Доцільність установ, що займаються міжнародним розвитком, шукати найкращі екологічні поради зараз є загальноприйнятою, але реалізація цього розуміння була повільною.

Коли швидкість експлуатації або використання виду перевищує його здатність підтримувати життєздатну популяцію, результати надмірного збору врожаю. Живі ресурси, такі як ліси та дика природа, зазвичай вважаються поновлюваними ресурсами. Однак вони можуть стати невідновлюваними, якщо надмірно зібрані. Надмірний збір врожаю і втрата середовища проживання часто відбуваються разом, оскільки виведення організму з навколишнього середовища може мати згубний вплив на саме навколишнє середовище.

Люди історично експлуатували види рослин і тварин, щоб максимізувати короткострокові вигоди, як правило, за рахунок можливості підтримувати вид в довгостроковій перспективі. Класичний приклад надмірного збирання передбачає пасажирський голуб. Колись вважалося, що це найбільш густонаселений птах на землі, з чисельністю в мільярди. Ранні поселенці в Північній Америці полювали на птицю за їжею. Полювання було настільки інтенсивним, що птах зникла з дикої природи до 1900 року і була вимерла до 1914 року. Американського буйвола мало не спіткала така ж доля. Спочатку чисельність налічувала десятки мільйонів, менше 1000 залишилося до 1890 року. Однак вид повернувся в заповідники та приватні ранчо і більше не вважається загрозою.

Рибальська промисловість має довгу історію надмірного збирання своїх ресурсів. Каліфорнійська сардинська промисловість досягла максимуму в 1930-х роках, до кінця 1950-х років сардини зникли, як консервні заводи в Монтереї. Перуанський промисел анчоусів процвітав у 1960-х роках і впав у 1970-х роках. Надмірний збирання риби лише збільшився протягом багатьох років, оскільки кораблі стали більшими та більш «ефективними» методами збирання риби (наприклад, гаманцевої сітки) були розроблені. До середини 1990-х років понад 40 відсотків видів в американському рибному господарстві були зібрані.

Надмірний збір тропічних лісів в даний час є всесвітньою проблемою. Більш ефективні методи збирання та транспортування дозволили вигідно видаляти дерева з раніше важкодоступних ділянок. Дерева червоного дерева збирають лісоруби в тропічних лісах Бразилії, Болівії, Перу, Нікарагуа та Гватемали. Багато інших видів тропічних дерев, які колись вважалися нікчемними, зараз є цінними джерелами целюлози, ДСП, ДВП та целюлози для виробництва пластмас. Країни, що розвиваються, часто готові підписати права на лісоматеріали іноземним компаніям за необхідну тверду валюту. Лісозаготівельні роботи також виступають каталізатором вирубки тропічних лісів. Фермери використовують дороги, побудовані лісозаготівельними компаніями, щоб дістатися до віддалених районів, які потім очищаються від лісів і використовуються для скотарства та сільського господарства.

Коли вид пересаджується в середовище, в якому він не є рідним, він відомий як інтродукована екзотика. Всякий раз, коли людина оселився далеко від дому, він намагався представити своїх знайомих тварин і рослин. Давним-давно європейські дослідники випускали кіз і свиней у свої колонії, щоб забезпечити запас звичного тваринного білка. Багато екзотики випадково вводяться. Нерідко впровадження екзотики згубно позначається на місцевій флорі і фауні. Їх нове середовище існування може мати менше хижаків або хвороб, які вражають їх, і в результаті їх популяції виростають з-під контролю. Організми, на яких вони полюють, можливо, не розвинули захисні механізми для них, і місцеві види можуть не мати успіху в конкуренції з ними за простір чи їжу.

Деякі з найбільш поширених диких тварин і рослин в Сполучених Штатах є інтродукованими видами. Наприклад, в екзотику вводять шпаки, евкаліптові дерева і багато видів трав. Більшість шкідників комах і рослин - екзотичні види. Виноградна лоза кудзу, японський вид, представлений у 1876 році, для затінення під'їздів південних особняків і широко посаджений у 1940-х роках для боротьби з ерозією, зростає настільки швидко (до одного фута на день), що вбиває ліси, повністю покриваючи дерева та чагарники. Циганська міль була привезена з Франції в 1869 році ентомологом, який сподівався схрестити їх з шовковою міллю. Вони втекли і створили колонію, яка вторглася в усі штати Нової Англії, знеособлюючи дерева різних видів. Екзотика є фактором, що сприяє зникаючому або загрозливому статусу багатьох тварин і рослин у США.

Небезпеки міграції птахів

Всім істотам загрожує деградація середовища проживання і руйнування. Для мігруючих птахів проблема значно посилюється. Птахи подорожують тисячі миль між літніми та зимовими будинками, а екологічні збої в будь-якому місці на маршруті або в будь-якому пункті призначення можуть бути смертельними. Дійсно, за останні десятиліття зафіксовано масове зниження численності популяції птахів.

Багато видів, поширених у Сполучених Штатах, є неотропічними - вони розмножуються в Північній Америці влітку, потім взимку в Центральній або Південній Америці. Ці співочі птахи, водоплавні птахи, хижаки та берегові птахи, які слідують тими ж шляхами міграції, які робили їхні предки, стикаються з багатьма небезпеками на цьому шляху. Нічне освітлення (світлове забруднення) може дезорієнтувати їх. Зіткнення з літаками, проводами та будівлями можуть вбити і поранити їх.

Як тільки птахи прибувають до місця призначення, або коли вони зупиняються на маршруті, їм потрібна їжа, вода та місце для відпочинку. Але міське розростання зазіхає на середовище проживання птахів, а харчові та водні запаси забруднені забрудненням.

Останнім часом виникла нова проблема. Для мігруючих птахів час - це все - вони повинні прибути на свої літні місця розмноження, коли запаси їжі знаходяться на піку, щоб вони могли відновити свій жир і успішно розмножуватися. Глобальне потепління починає порушувати делікатний баланс між життєвими циклами рослин і комах і птахів. У деяких районах птахи з'являються рано, до того, як відкриються квіти або вилуплюються комахи, і знаходять дуже мало, щоб поїсти.

На щастя, багато людей цінують птахів, і ведеться кілька зусиль по збереженню, включаючи:

• Створення захисних поясів та живих огорож навколо полів та відкритого простору громади
• Сервітути для забезпечення рідного середовища проживання птахів у районах людської діяльності
• Терміни застосування інсектицидів для уникнення втрати кормової бази при пересуванні птахів навесні та восени
• Збереження якості та кількості водно-болотних угідь громади
• Мінімізація практик, що негативно впливають на птахів

Крім того, багато хто прагне координувати діяльність вздовж перелітних прольотів, щоб збільшити успіх мігруючих птахів. Хоча люди працюють над створенням природних заповідників, проблему впливу людини на перелітних птахів все ж потрібно вирішувати в значній мірі.