Антропогенные изменения в биосфере призваны выявлять Международные экологические программы.
Первой из таких программ была программа ЮНЕСКО «Человек и биосфера» (Man and Biosphere), официально принятая в 1970 г. Основные задачи программы — выявление последствий деятельности человека на лесные экосистемы, на пастбищные земли, на ресурсы озер, болот, дельт, прибрежных районов, островных экосистем, на сохранение природных районов и содержащегося в них генетического материала.
В программу МАБ в 1974 г. был включен вопрос об учреждении биосферных заповедников и организации в них экологических исследований. Сначала в России было учреждено четыре биосферных заповедника, к 1997 г. их число возросло до 21. Каждый из них характеризует экосистемное разнообразие. В нашей стране наиболее известны Астраханский, Сихотэ-Алиньский, Центрально-Сибирский, Центрально-Черноземный заповедники.
Контроль за глобальными изменениями (климата, состава атмосферы) и наземных экосистем (использование земель) возложен на Международную программу (GCTE). Влияние на климат обусловлено тремя характеристиками наземных экосистем: распределением радиационного баланса между скрытым и активным тепловым потоком (эватранспирация), альбедо (баланс поглощений энергии излучения), расчлененностью поверхности (обмен кинетической энергией, теплом, массой) (Виноградов, 1998).
Альбедо — число, показывающее, какую часть падающей лучистой энергии отражает данная поверхность, характеризует физические свойства поверхности. Альбедо Земли — отношение количества энергии, отраженное Землей, ко всей лучистой энергии, падающей на Землю от Солнца. Изучение радиационного баланса земной поверхности свидетельствует о влиянии деградации растительности и почв на изменение альбедо. Изменение последнего в свою очередь оказывает обратное влияние на растительность.
Альбедо земной поверхности зависит от проективного покрытия и вегетативного состояния растительности. Уменьшение покрытия растительностью ведет к масштабному изменению альбедо. Повышение альбедо в результате уменьшения проективного покрытия пустынной растительности (из-за перевыпаса пастбищ) активно, например, на Ближнем Востоке. По расчетам М. И. Будыко (1977), глобальные изменения альбедо всего на 0,01 изменяют среднюю температуру на 2,3°. Важную информацию дает регулярное многолетнее измерение альбедо. Например, на Черных землях Калмыкии установлена активность перевыпаса, дефляции и опустынивания. За последние 30 лет прошлого столетия там расширились площади разбитых песков на 50 %. За это время отмечены изменения климата: уменьшение относительной влажности приземного слоя воздуха, повышение температурных контрастов и континентальности климата, рост максимальных летних температур поверхности и приземных слоев воздуха, увеличение повторяемости смерчей и пыльных бурь и, как следствие, — уменьшение осадков. Это способствовало дальнейшему опустыниванию.
В гумидных областях также изменяется альбедо под влиянием деградации растительности. Изменение альбедо растительного покрова может вызвать нарушение теплового баланса системы атмосфера-поверхность Земли и вызвать климатические изменения.
Загрязнение воздуха нарушает структуру местного климата и тем более микроклимат. Загрязнение воздуха влияет на химический состав и тепловой режим приземного слоя воздуха, что вызывает деградацию растительного покрова и почв. Имеется множество сведений о таких процессах в окрестностях Никеля, Мончегорска, Апатиты на Кольском полуострове, в окрестностях городов Карабаша и Кыштыма на Среднем Урале, Байкальского целлюлозного комбината. Вокруг источников воздушного загрязнения прослеживаются нарушенные экосистемы: в первых 10 км от источника загрязнения — полное нарушение, несколько десятков км — среднее и сильное нарушение, до сотни км — частичное и слабое нарушение экосистемы.
Загрязнение воздуха тесно коррелирует с состоянием растительности. Чувствительными показателями являются фитомасса, проективное покрытие, видовое разнообразие, масса хвои и листвы, древесины, скорость разложения подстилок.
Растущие объемы выброса загрязняющих веществ в окружающую среду, основная часть которых попадает в атмосферу (существенная доля их способна к дальнему переносу), ведут к глобальным изменениям состава воздуха атмосферы. О реальных размерах трансграничного переноса химических веществ свидетельствуют результаты наблюдений станций комплексного мониторинга, биосферных заповедников, решение об организации которых было принято на Стокгольмской конференции ООН по окружающей среде 1972 г. Тогда же были разработаны основные принципы Глобальной системы мониторинга окружающей среды (ГСМОС) и поставлена перед ООН задача организации международной системы мониторинга окружающей среды.
В разных странах собирается и передается в другие страны информация о переносе в атмосфере загрязняющих веществ через границы государств. Это позволило оценивать вклад этих веществ в загрязнение окружающей среды.
Экологическую опасность глобального масштаба представляет дальний перенос газов антропогенного происхождения, в частности диоксида серы. За счет трансграничного переноса выпадение диоксида серы на земную поверхность в Люксембурге, Нидерландах, Швейцарии достигает 70—80 % от их общего выпадения, в Скандинавских странах — 54—63 %. Поступление серы в атмосферу России из соседних стран составляет не менее 40 % от общей техногенной нагрузки.
Международными программами планировалось к 1990 г. по сравнению с 1980 г. снизить выбросы в атмосферу оксидов серы и азота на 60 %, взвешенных частиц — на 40 %, выхлопных газов автомобилей — на 50 %. В программе сформулированы требования к сжиганию топлива и коммунально-бытовых отходов, нормированы выбросы оксидов серы, азота.
Регистрация масс этих веществ и регулярный контроль изменения температуры на планете послужили основанием для установления взаимосвязи между ними, основанием для выявления признаков общепланетарного явления, называемого «парниковым эффектом», который ведет к повышению температуры на планете.
Суть парникового эффекта состоит в следующем. Главным источником энергии на Земле является Солнце. В целом Земля получает в год солнечной энергии в количестве 5,42∙1024 Дж. Из этого количества около 35 % радиации (преимущественно ультрафиолетовая коротковолновая радиация, особенно опасная для живых организмов) отражается облаками и не достигает поверхности Земли. Из остальных 65 % солнечного излучения одна часть расходуется на нагрев поверхности Земли, другая часть (преимущественно длинноволновая радиация) отражается от поверхности Земли, нагревая тропосферу. В нижних слоях тропосферы водяные пары, диоксид углерода, фтор — и хлоруглеводородные соединения техногенного происхождения поглощают тепловое длинноволновое излучение, отраженное с поверхности Земли. Уменьшение рассеяния и отражения солнечного света ведет к нагреванию тропосферы. Это приводит к нарушению сбалансированных потоков приходящей к поверхности земли солнечной радиации и радиации, отраженной от ее поверхности. В результате температура приземного слоя Земли повышается.
К числу парниковых газов относят диоксид углерода, водяной пар, метан, оксиды азота, особенно N2O, озон, группу искусственных газов, объединяемых под общим названием хлорфторбромуглероды.
Уровень концентрация СO2 в атмосфере, формирующийся в биосфере преимущественно вследствие процессов дыхания живых организмов и разложения отмирающих органических остатков, многие века сохранялся на планете стабильным, составляя 270—290 частей на миллион по объему. В середине XX в. было установлено его повышение до 315 частей на миллион, а к концу XX в. выявлена тенденция его повышения. Это явление рассматривается в непосредственной связи с ростом потребности современного общества в энергии, которая восполняется преимущественно (на 80 %) за счет сжигания горючих ископаемых. Это ведет к повышению поступлению в атмосферу СO2. Приводятся, в частности, данные о том, что ежегодно количество выбрасываемого в атмосферу СO2 растет на 0,4 %.
Росту СO2 в атмосфере способствует также деградация почв, сопровождающаяся минерализацией почвенных органических остатков, деградация лесных угодий. Приводятся расчеты, которые показывают, что ежегодно в атмосферу дополнительно (за счет деятельности человека) поступает 3,3±0,2 млрд т углерода в форме СO2. Оказалось, что растительность планеты не в состоянии полностью поглотить это количество СO2 в ходе фотосинтеза.
Вклад различных газов в формирование парникового эффекта оценивается на основе скорости роста его концентрации в атмосфере, продолжительности существования в атмосфере, эффекте радиационного воздействия (или антропогенного усиления парникового эффекта), учитывается также «относительный парниковый потенциал», который оценивают по парниковому эффекту этого газа по сравнению с действием СO2, принимаемым за единицу.
Роль диоксида углерода в создании парникового эффекта обусловлена высоким уровнем его поступления, длительностью сохранения в атмосфере. Роль других газов, поступающих в значительно меньших количествах, обусловлена их высокой способностью к поглощению коротковолновой радиации, но время их пребывания в составе атмосферы менее продолжительно, чем СО2.
Метан в естественных болотных биогеоценозах образуется в анаэробных условиях. Растущее поступление в атмосферу техногенного метана связано с сжиганием топлива, эмиссией из угольных шах, с переработкой и разливами нефти и нефтепродуктов, с утечкой газа газовых отраслей промышленности. Метан вносит около 20 % в парниковый эффект. Но время пребывания его в атмосфере ограничено вследствие его способности к взаимодействию с пироксидом водорода.
Оксид азота, поступающий в атмосферу в меньших количествах, чем СO2 и СН4, отличается высоким парниковым потенциалом и способностью длительное время сохраняться в атмосфере. В условиях растущей тепловой энергетики его концентрация в атмосфере постоянно повышается.
Хлорфторбромуглероды — это органические вещества, в которых все атомы водорода замещены на комбинации атомов хлора, фтора, брома, что делает образованные ими структуры очень устойчивыми. Эти вещества созданы человеком и используются в качестве хладоагентов (фреоны) для холодильников и кондиционеров, используются они также как растворители, пенообразователи, распылители (аэрозоли). Они отличаются чрезвычайно высоким парниковым потенциалом, что представляет опасность для экологии. Доля их участия в парниковом эффекте 7 %. В последнее десятилетие XX в. международным сообществом выработано соглашение, рекомендующее ограничить производство и применение хлорфторбромуглеродов.
Опасность парникового эффекта в том, что он может вызвать потепление климата. Прогноз этот делается чаше всего на основе моделирования глобальных процессов циркуляции атмосферы. Разные модели прогнозируют повышение температуры приземного слоя воздуха к концу XXI в. на 1,0—3,5°, средняя величина повышения составит 2°.
Это событие вызовет множество проблем. Суша будет нагреваться сильнее, чем океан, особенно в арктических и субарктических зонах. Это повлечет за собой таяние льдов, рост количества осадков, учащение циклонов, штормов, засух и проч. Прогнозируется таяние льдов Гренландии и Антарктиды, подъем уровня Мирового океана почти на полметра. Изменения коснутся зон вечной и сезонной мерзлоты. Некоторые островные страны перестанут существовать.
Изменение климата вызовет изменение гидрологического режима, изменение соотношения выпадения осадков и испарения, изменение стока вод и вещества.
Эти процессы могут сопровождаться изменением в распределении растительности и животных на планете, распадом ранее существовавших экосистем и созданием новых. Затронуты будут и агроценозы. Возможно усиление активности фотосинтеза и повышение продуктивности экосистем, урожая сельскохозяйственных культур.
Мировое сообщество приняло решение обеспечить охрану окружающей среды и снизить выбросы парниковых газов, прежде всего СO2. В 1992 г. на Конференции ООН по окружающей среде и развитию в Рио-де-Жанейро была принята Конвенция по изменению климата. Цель ее — стабилизировать концентрацию парниковых газов в атмосфере на существующем уровне. Страны-участники конвенции обязались не наращивать, а сокращать выброс в атмосферу парниковых газов (прежде всего выброс СO2).
В число парниковых газов входит и озон. Влияние его на экологическое состояние планеты многопланово. Присутствуя в тропосфере, он способен поглощать тепловую энергию, отраженную от поверхности Земли, тем самым внося вклад в формирование парникового эффекта. Но озон присутствует также и в стратосфере. Благодаря способности поглощать наиболее жесткую часть ультрафиолетовой радиации Солнца (100—200 нм) (губительно действующей на живые организмы) и значительную часть менее энергичной, но тоже опасной радиации с длинами волн 280—315 нм, озон защищает от этих волн живых обитателей планеты. Менее активная, более длинноволновая часть спектра ультрафиолетовой области озоном не адсорбируется и проникает в тропосферу.
Присутствующие в тропосфере хлорфтробромугероды способны под влиянием солнечной энергии взаимодействовать с озоном, разрушая его, причем выделяющиеся атомы хлора действуют как катализаторы этого процесса. Так происходит деградация озонового слоя, образование озоновых дыр. Приводятся сведения о том, что за последние 35 лет XX в. произошла потеря 5 % массы озонового слоя. Особенно интенсивно идет потеря озона над Антарктидой.
Это явление имеет неблагоприятные последствия для всех обитателей планеты. Так как этот процесс ведет к повышению проницаемости биологически вредной части ультрафиолетовой радиации, он может вызвать повышение распространения на планете ряда опасных заболеваний, прежде всего онкологических. Поэтому в 1988 г. был подписан Монреальский протокол к Конвенции по защите озонового слоя. Он предусматривает сокращение производства и использования хлорфторбромуглеродов.
Тропосферный озон опасен не только как активный парниковый газ. Он может образовываться в приземном слое воздуха при фотохимической деструкции оксидов азота (они поступают преимущественно с выхлопными газами автомобилей) под влиянием солнечной энергии. Образующийся при этом фотохимический смог очень опасен для живых организмов, прежде всего для человека.
Сегодня подавляющее большинство ученых пришли к мнению, что нынешнее беспрецедентно быстрое изменение климата — это антропогенный эффект, вызванный прежде всего сжиганием ископаемого топлива. Ученые считают, что безопасный уровень глобального потепления — это 2 °С, и человечество уже прошло треть этой дистанции. По мнению экологов, нужно приложить все усилия для ограничения выбросов парниковых газов и не допустить потепления более чем на 2 °С. Ведь это средние показатели, в различных регионах конкретная величина может существенно их превысить.
В связи с этим в 2005 г. принят Киотский протокол об ограничении и сокращении выбросов парниковых газов. Он стал первым глобальным соглашением об охране окружающей среды, по предотвращению катастрофических изменений климата, документом, основанным на рыночных механизмах регулирования — механизме международной торговли квотами на выбросы парниковых газов. Принято решение по ограничению либо сокращению выбросов на период с 1 января 2008 г. до 31 декабря 2012 г. Цель ограничений — снизить в этот период совокупный средний уровень выбросов шести типов газов, вызывающих парниковый эффект, на 5,2 % по сравнению с уровнем 1990 г.
Основные обязательства по сокращению взяли на себя индустриальные страны. Евросоюз должен сократить выбросы на 8 %, Япония и Канада — на 6 %. Страны Восточной Европы и Прибалтики обязались сократить выбросы в среднем на 8 %, Россия и Украина — сохранить среднегодовые выбросы в 2008—2012 гг. на уровне 1990 г. Россия в 2004 г. ратифицировала Киотский протокол и в феврале 2005 г. он вступил в силу.
Предполагается, что при снижении выбросов парниковых газов, например, при переводе электростанций и котельных с угля на газ, при переходе на альтернативное топливо резко уменьшится загрязнение воздуха, что приведет к снижению заболеваемости населения легочными болезнями, астмой и т. п. Исследования в Москве, Нижнем Новгороде, Воронеже и др. городах позволили оценить общероссийский эффект от первоочередных мер по снижению выбросов парниковых газов. Они привели к снижению смертности на 40 тыс. человек в год.