В самом широком смысле экология объединяет таланты и знания геологии, гидрологии, метеорологии, биологии и химии для выявления сложных закономерностей и взаимодействия в природной среде. Цель экологии состоит в том, чтобы прояснить эти закономерности, связи и взаимодействия, а также использовать и интегрировать информацию из этих разнообразных, но актуальных дисциплин в целях углубления экологического понимания.
Давайте остановимся на двух ярких примерах связей и взаимодействия воздух-земля-вода, а именно: роли атмосферных осадков в подкислении поверхностных вод и почв и атмосферных осаждений токсичных металлов в загрязнении поверхностных вод и почв. Новым и удивительным аспектом этих примеров является то, что одним из основных переносчиков этих загрязнителей является атмосфера.
Таким образом, может оказаться столь же важным, рассмотреть озера с точки зрения поступления загрязняющих веществ , как и дать оценку поступления загрязняющих веществ из водосборного бассейна.
Кислотные дожди
Водные экосистемы имеют разнообразные связи и взаимодействия со своими воздушными и водными бассейнами. Прекрасным примером тому служит воздействие кислотных дождей на водные экосистемы. В течение последних нескольких десятилетий кислотные дожди, снег, снегопад и град (атмосферные влажные осадки) выпадали на все более распространенные территории мира.
Большие площади Северной Америки, Европы и Азии, а также части Южного полушария в настоящее время подвергаются выпадению, которое более чем в 10-30 раз превышает ожидаемый уровень кислотности в не загрязненных атмосферах.
Кроме того, сухое выпадение кислых веществ (газов и частиц) в природные экосистемы может быть равнозначным поступлениям от влажного выпадения. Экологические и экономические последствия кислотных выпадений из атмосферы еще полностью не оценены, однако поступление кислот и связанных с ними загрязнителей (например, токсичных металлов) в водные и наземные экосистемы привело к широкомасштабному изменению природных экосистем.
Сложность природных экосистем обусловливает весьма различную реакцию на атмосферные загрязнители в этой важной связи между воздухом, сушей и водными ресурсами. Более 90% выбросов оксидов серы и азота в атмосферу в Северной Америке являются антропогенными по своему происхождению, а около 70% выбросов SO2 и более 30% NO происходят в результате сжигания ископаемого топлива на электростанциях и металлургических заводах.
Концентрация серы и азота в осадках и снегу в восточной части Северной Америки в 10-15 раз выше, чем в отдаленных районах земного шара, где средний уровень pH составляет около 5,1.
В настоящее время около 65% кислотности осадков на востоке США приходится на серную кислоту и 35% на азотную кислоту. Воздушные массы, как правило, перемещаются с запада на восток в Северном полушарии, переносят загрязнители воздуха из урбанизированных и промышленно развитых районов в более сельские районы.
Некоторые из оксидов серы и азота быстро садятся в виде газов или очень мелких частиц вблизи источников выбросов. Если дымовая труба достаточно высока и метеорологические условия подходят, загрязнители могут находиться в атмосфере от одного до пяти дней и переноситься от сотен до тысяч километров от источника. В атмосфере SO2 и NO могут преобразовываться в серную и азотную кислоты соответственно, а затем выпадать в атмосферный воздух в виде осадков на природные экосистемы.
Эти кислоты могут поступать непосредственно на поверхность озера или попадать на водораздел озера и следовать сложным гидрологическим и биогеохимическим путям в озере.
Для некоторых озер с относительно небольшими площадями водосбора может преобладать прямое попадание на поверхность озера. В результате политического и научного интереса к изучению влияния кислотных дождей на поверхностные воды многие озера в Соединенных Штатах в 1980-1990 годах подверглись тщательному изучению.
Озера района Адирондак в штате Нью-Йорк представляли особый интерес из-за высокой концентрации кислотных веществ в атмосфере и предполагаемой восприимчивости озер и почв в этом районе к этим переносимым в воздух загрязнителям. Разнообразие озер в этом отдаленном, гористом регионе огромно. Очевидно, что здесь есть много сложностей. Озера имеют различные размеры, глубину, отношение площади поверхности к площади водосбора, химический состав и биологические компоненты.
Они могут встречаться на разных высотах и иметь разную растительность и различную траекторию движения воды в пределах дренажной зоны. Для классификации озер в районе Адирондакской горы по важным типам была разработана схема, основанная в основном на гидрологических путях течения.
В этой схеме четко прослеживаются прямые и подразумеваемые связи между геологией, гидрологией и химией. В рамках программы по охране окружающей среды было отобрано 155 озер для характеристики общей численности населения 1290 озер, площадь которых в регионе Адирондак-Маунтин превышала 4 га.
Около 83% этих озер, плюс 49 озер удостоились пристального внимания, были расположены в Адирондакском парке. Большой объем данных и разнообразие озер дали возможность разработать некоторые обобщения, основанные на корреляционном анализе. Около 14% озер площадью >4 га были кислотными. Эти озера в основном располагались в западной и южной части парка, где многие озера расположены на большой высоте (>600 м) и имеют дренажные бассейны с мелководной ледниковой тилью.
Большая часть озер района была классифицирована как дренажные. Важным определяющим фактором для АНК в этих озерах казался сток воды. На основе других исследований озер этого региона, касающихся химических изменений, изменений в популяциях рыб и палеоэкологических данных в осадках озер, можно сделать вывод, что основные химические и биологические изменения, наблюдаемые в этих озерах, были вызваны увеличением атмосферных осадков загрязнителей, в первую очередь серной кислоты, за последние несколько десятилетий. Это, в свою очередь, связано с увеличением выбросов SO2 и NO в результате сжигания ископаемого топлива в последние десятилетия.
В Норвегии, Швеции и Финляндии долгосрочные исследования взаимодействия воздух-земля-вода позволили сделать аналогичные выводы о недавнем закислении поверхностных вод от атмосферных осадков. Связь между выбросами в атмосферу, выпадением кислот и экологическим воздействием этих кислот на наземные и водные экосистемы была в центре интенсивных исследований и политических дискуссий в течение последних двух десятилетий. Однако многие другие взаимодействия воздух-земля-вода не были четко определены, не говоря уже о том, что они были изучены надлежащим образом.
Например, хорошо известно, что азотная кислота является основным компонентом кислотных дождей, но основное внимание, в отношении воздействия и управления, было направлено на понимание биогеохимии серы.
Расположение озер различного гидрологического типа в районе горы Адирондак штата Нью-Йорк, США. Данные были собраны в рамках исследования Восточных озер и озер, представляющих особый интерес.
Связь между атмосферным NO (предшественником азотной кислоты в кислотных дождях) и летучими органическими соединениями (ЛОС) имеет решающее значение для производства атмосферного озона.
В настоящее время в США и других странах предпринимаются значительные усилия по посадке деревьев в городских центрах в попытке замедлить темпы накопления CO2 в атмосфере за счет поглощения биотики и тем самым уменьшить глобальное потепление.
Очевидно, что исследовательские и управленческие решения, связанные с этими различными экологическими проблемами, должны носить комплексный характер, а также учитывать взаимодействие между различными связями.
