Мантия Земли - оболочка «твёрдой» Земли, расположенная между земной корой и ядром Земли. Занимает 83 % Земли (без атмосферы) по объёму и 67 % по массе.

От земной коры её отделяет Мохоровичича поверхность, на которой скорость продольных сейсмических волн при переходе из коры в мантию земли возрастает скачком с 6,7-7,6 до 7,9-8,2 км/сек; от ядра Земли мантию отделяет поверхность (на глубине около 2900 км), на которой скорость сейсмических волн падает с 13,6 до 8,1 км/сек. Мантия Земли делится на нижнюю и верхнюю мантию. Последняя, в свою очередь, делится (сверху вниз) на субстрат, слой Гутенберга (слой пониженных скоростей сейсмических волн) и слой Голицына (иногда называется средней мантией). У подошвы мантия Земли выделяется слой толщиной менее 100 км, в котором скорости сейсмических волн не растут с глубиной или даже слегка понижаются.

Предполагается, что мантия Земли слагается теми химическими элементами, которые во время образования Земли находились в твёрдом состоянии или входили в состав твёрдых химических соединений. Из этих элементов преобладают: О, Si, Mg, Fe. Согласно современным представлениям, состав мантии Земли считается близким к составу каменных метеоритов. Из каменных метеоритов наиболее близкий к мантия Земли состав имеют хондриты. Предполагают, что непосредственными образцами вещества мантии являются обломки пород среди базальтовой лавы, вынесенные на поверхность Земли; их находят также вместе с алмазами в трубках взрыва. Считают также, что обломки пород, поднятые драгой со дна рифтов Срединно-океанических хребтов, представляют собой вещество мантии.

Характерной чертой мантия Земли являются, по-видимому, фазовые переходы. Экспериментально установлено, что в оливине под большим давлением изменяется структура кристаллической решётки, появляется более плотная упаковка атомов, так что объём минерала заметно уменьшается. В кварце такой фазовый переход наблюдается дважды по мере роста давления; самая плотная модификация на 65 °C плотнее обычного кварца. Такие фазовые переходы считаются главной причиной того, что в слое Голицына скорости сейсмических волн очень быстро возрастают с глубиной.

Верхняя мантия одна из оболочек земного шара, непосредственно подстилающая земную кору. Отделена от последней Мохоровичича поверхностью, находящейся под материками на глубине от 20 до 80 км (в среднем 35 км) и под океанами на глубине 11-15 км от поверхности воды. Скорость распространения сейсмических волн (используемая в качестве косвенного метода изучения внутреннего строения Земли) возрастает при переходе от земной коры к верхней мантиискачкообразно приблизительно с 7 до 8 км/сек.Верхняя мантияпредполагается на глубине 900 км (при делении мантии на верхнюю и нижнюю) и на глубине 400 км (при делении её на верхнюю, среднюю и нижнюю). Зона в пределах глубин 400-900 км называется Голицына слоем. Верхняя мантиясложена, вероятно, гранатовыми перидотитами с примесью в верхней части Эклогита.

Эклогит - метаморфическая горная порода состоящая из пироксена с высоким содержанием кварца и рутила (минерал, содержащий примесь железа, олова, ниобия и тантала ТіО 2 - 60 % титана и 40 % кислорода).

Важная особенность строения верхней мантии- наличие зоны пониженных скоростей сейсмических волн. Имеются различия в строении верхней мантиипод разными тектоническими зонами, например под геосинклиналями и платформами. В верхней мантии развиваются процессы, являющиеся источником тектонических, магматических и метаморфических явлений в земной коре. Во многих тектонических гипотезах верхней мантии отводится важная роль; например, предполагается, что земная кора образовалась путём выплавления из вещества верхней мантии, что тектонические движения связаны с движениями в верхней мантии и др. Образцы самой верхней части мантии Земли состоят преимущественно из пород ультраосновного (перидотит и пироксенит) и основного (эклогит) состава. Обычно считается, что мантия Земли почти полностью сложена оливином [(Mg, Fe) 2 SiO 4 ], в котором сильно преобладает магниевая компонента (форстерит), но с глубиной, быть может, возрастает доля железной составной части (фаялита). Австралийский петрограф Рингвуд предполагает, что мантия Земли сложена гипотетической породой, которую он назвал пиролитом и которая по составу соответствует смеси из 3 частей периодита и 1 части базальта. Теоретические расчёты показывают, что в нижней мантии Земли минералы должны распадаться на окислы. К началу 70-х годов 20 века появились также данные, указывающие на наличие в мантии Земли горизонтальных неоднородностей.

Несомненно, что земная кора выделилась из мантии Земли; процесс дифференциации мантия Земли продолжается и сейчас. Есть предположение, что и земное ядро разрастается за счёт мантии Земли. Процессы в земной коре и мантия Земли тесно связаны; в частности, энергия для тектонических движений земной коры, по-видимому, поступает из мантии Земли.

Нижняя мантия Земли - составная часть мантии Земли, распространяющаяся от глубин 660 (граница с верхней мантией) до 2900 км. Расчетное давление в нижней мантии составляет 24-136 ГПа и вещество нижней мантии недоступно для прямого изучения.

В нижней мантии существует слой (слой D), в которой скорость сейсмических волн аномально низка и имеет горизонтальные и вертикальные неоднородности. Предполагается, что он образован восходящим проникновением Fe и Ni в силикаты, которые расплавляются этими потоками. Это чрезвычайно важно, так как некоторые исследователи полагают, что части субдукционной плиты накапливаются на 660 км от границы, и они становятся экспоненциально более тяжелыми и опускаются на ядро и накапливаются в слое D.

Земная кора - самая верхняя из твёрдых оболочек Земли. Нижней границей земной коры считается поверхность раздела, при прохождении которой сверху вниз продольные сейсмические волны скачком увеличивают скорость с 6,7-7,6 км/сек до 7,9-8,2 км/сек (см. Мохоровичича поверхность). Это служит признаком смены менее упругого материала более упругим и более плотным. Слой верхней мантии, подстилающий земной коры, часто называется субстратом. Вместе с земной коры он составляет литосферу. Земная кора различна на материках и под океаном. Материковая земная кора обычно имеет толщину 35-45 км, в областях горных стран - до 70 км. Верхнюю часть материковой земной коры составляет прерывистый осадочный слой, состоящий из разновозрастных неизмененных или слабоизменённых осадочных и вулканических горных пород. Слои нередко смяты в складки, разорваны и смещены по разрыву. В некоторых местах (на щитах) осадочная оболочка отсутствует. Вся остальная толща материковой земной коры разделяется по скоростям сейсмических волн на 2 части с условными названиями: для верхней части - «гранитный» слой (скорость продольных волн до 6,4 км/сек), для нижней -«базальтовый» слой (6,4-7,6 км/сек). По-видимому, «гранитный» слой сложен гранитами и гнейсами, а «базальтовый» слой - базальтами, Габбро и очень сильно метаморфизованными осадочными породами в различных соотношениях. Эти 2 слоя часто разделены Конрада поверхностью, при переходе которой скорости сейсмических волн возрастают скачком. По-видимому, в земной коре с глубиной уменьшается содержание кремнезёма и возрастает содержание окислов железа и магния; ещё в большей степени это имеет место при переходе от земной коры к субстрату.

Океаническая земная кора имеет толщину 5-10 км (вместе с толщей воды - 9-12 км). Она разделяется на три слоя: под тонким (менее 1 км) слоем морских осадков лежит «второй» слой со скоростями продольных сейсмических волн 4-6 км/сек; его толщина 1-2,5 км. Вероятно, он сложен серпентинитом и базальтом, быть может, с прослоями осадков. Нижний, «океанический», слой толщиной в среднем около 5 км имеет скорости прохождения сейсмических волн 6,4-7,0 км/сек; вероятно, он сложен габбро. Толщина слоя осадков на дне океана изменчива, местами их нет совсем. В переходной зоне от материка к океану наблюдается земная кора промежуточного типа.

Земная кора подвержена постоянным движениям и изменениям. В её необратимом развитии подвижные области - геосинклинали - превращаются путём длительных преобразований в относительно спокойные области – платформы. Существует ряд тектонических гипотез, объясняющих процесс развития геосинклиналей и платформ, материков и океанов и причины развития земной коры в целом. Несомненно, что главные причины развития земной коры лежат в более глубоких недрах Земли; поэтому изучение взаимодействия земной коры и верхней мантии представляет особенный интерес.

Земная кора близка к состоянию изостазии (равновесию): чем тяжелее, т. е. толще или плотнее какой-либо участок земной коры, тем глубже он погружен в субстрат. Тектонические силы нарушают изостазию, но когда они слабеют, земной коры возвращается к равновесию.

Рисунок 25 - Земная кора

Ядро Земли - центральная геосфера радиусом около 3470 км. Существование ядра Земли установлено в 1897 немецким сейсмологом Э. Вихертом, глубина залегания (2900 км) определена в 1910 американским геофизиком Б. Гутенбергом. О составе ядра Земли и его происхождении единого мнения нет. Возможно, оно состоит из железа (с примесью никеля, серы, кремния или других элементов) или его окислов, которые под действием высокого давления приобретают металлические свойства. Существуют мнения, что ядро образовалось путём гравитационной дифференциации первичной Земли в период её роста или позже (впервые высказано норвежским геофизиком В. М. Гольдшмидтом в 1922) либо железное ядро возникло ещё в протопланетном облаке (немецкий учёный А. Эйкен, 1944, американский учёный Э. Орован и советский учёный А. П. Виноградов, 60-70-е гг.).

Мохоровичича поверхность - граница раздела между земной корой и мантией Земли.Мохоровичича поверхность установлена по сейсмическим данным: скорость продольных сейсмических волн при переходе (сверху вниз) через Мохоровичича поверхность возрастает скачком с 6,7-7,6 до 7,9-8,2 км/сек, а поперечных - с 3,6-4,2 до 4,4-4,7 км/сек. Различные геофизические, геологические и др. данные указывают на то, что плотность вещества тоже возрастает скачком, предположительно, с 2,9-3 до 3,1-3,5 т/м 3 . Наиболее вероятно, что Мохоровичича поверхность разделяет слои разного химического состава. Мохоровичича поверхность названа по имени открывшего её А. Мохоровичича.

Из первых трех геосфер ведущая роль, несомненно, принадлежит земной коре, так как её общая масса многократно превосходит суммарную массу двух других оболочек. Поэтому данные об относительном содержании того или иного химического элемента в земной коре можно в значительной мере считать и отражающими его содержание в биосфере в целом.

Наружная твердая оболочка Земли - земная кора более чем на 99% сложена всего 9 основными элементами: O (47%), Si (29,5%), Al (8,05%), Fe (4,65%), Ca (2,96%), Na (2,50%), K (2,50%), Mg (1.87%), Ti (0,45%). В сумме – 99, 48%. Из них кислород является абсолютно преобладающим. Наглядно видно, сколько остаётся на все остальные элементы. Это – по массе, т.е в весовых процентах.

Есть и другой вариант оценки – по объёму (объёмные проценты). Вычисляется с учётом размеров атомных и ионных радиусов в конкретных минеральных соединениях, образуемых этими элементами. Содержания в земной коре наиболее распространённых элементов в объёмных процентах составляют (по В.М. Гольдшмидту): O – 93,77%, K – 2,14%, Na – 1,60%, Ca – 1,48%, Si – 0,86%, Al – 0,76%, Fe – 0,68%, Mg – 0,56%, Ti – 0,22%.

Очевидны достаточно существенные различия в распределении атомов химических элементов по весу и объему: в резком понижении относительного содержания Al и особенно Si (из-за малых размеров их атомов, а для кремния – в ещё большей мере ионов в его кислородных соединениях) ещё более явно подчеркивается ведущая роль кислорода в литосфере.

При этом выявлены «аномалии» в содержаниях некоторых элементов в литосфере:

«провал» в содержаниях наиболее лёгких элементов (Li, Be, B) – объясняется особенностями процесса нуклеосинтеза (преимущественное образование углерода в результате соединения сразу трёх ядер гелия); относительно высокие содержания элементов, являющихся продуктами радиоактивного распада (Pb, Bi, а также Ar среди инертных газов).

В условиях Земли аномально низки содержания еще двух элементов: H и He. Это связано с их «летучестью». Оба эти элемента – газы, и, к тому же, самые легкие. Поэтому атомарные водород и гелий имеют тенденцию перемещаться в верхние слои атмосферы, а оттуда, не удерживаясь земным тяготением, рассеиваются в космическом пространстве. Водород до сих пор не потерян полностью, так как большая его часть входит в состав химических соединений – воды, гидрооксидов, гидрокарбонатов, гидросиликатов, органических соединений и др. А гелий, являющийся инертным газом, постоянно образуется как продукт радиоактивного распада тяжелых атомов.

Таким образом, земная кора по существу является упаковкой анионов кислорода, связанных друг с другом кремнием и ионами металлов, т.е. она состоит почти исключительно из кислородных соединений, преимущественно, из силикатов алюминия, кальция, магния, натрия, калия и железа. При этом, как Вы уже знаете, в составе литосферы 86,5% приходится на чётные элементы.

Наиболее распространенные элементы принято называть макроэлементами.

Элементы же, содержание которых составляет сотые доли процента и менее называются микроэлементами. Понятие это относительное, так как конкретный элемент может быть микроэлементом в одной среде, а в другой относиться к основным, т.е. макроэлементам (Например, Al в организмах –микроэлемент, а в литосфере - макроэлемент, железо в почвах – макроэлемент, а в живых организмах - микроэлемент).

Для обозначения величины содержания конкретного элемента в той или иной среде используется понятие «кларк». Этот термин связан с именем Ф.У. Кларка – американского геохимика, впервые предпринявшего на базе обширного аналитического материала вычисление средних содержаний химических элементов в различных типах горных пород и в литосфере в целом. В память о его вкладе А.Е. Ферсман в 1924 г. предложил именовать среднее содержание любого конкретного элемента в определённой вещественной среде кларком этого химического элемента. Единица измерения кларка – г/т (т.к. при низких величинах кларков многих элементов использовать процентные значения неудобно).

Наиболее сложной задачей является определение кларков для литосферы в целом, так как её строение очень.

Внутри горных пород деление силикатов производится на кислые и основные.

В кислых относительно повышены концентрации Li, Be, Rb, TR, Ba, Tl, Th, U, Ta.

В основных – Cr, Sc, Ni, V, Co, Pt.

Приведем порядок кларков различных элементов по В.Ф. Барабанову:

Более 10 000 г/т - O, Si, Al, Fe, Ca, Mg, Na, K.

1000-10 000 - Mn, Ti.

100-1000 - C, F, P, S, Cl, Rb, Sr, Zr, Ba.

10-100 - Pb, Th, Y, Nb, La, Ce, Nd, Li, B, N, Sc, V, Cr, Co, Ni, Cu, Zn, Ga.

1-10 - Eu, Dy, Ho, Er, Yb, Hf, Ta, W, Tl, U, Ge, As, Br, Mo, Sn, Sc, Pm, Sm, Be.

0,1-1,0 - Cd, Bi, In, Tu, I, Sb, Lu.

0,01-0,1 - Ar, Se, Ag, Hg.

0,001-0,01 - Re, Os, Ir, Ru, Rh, Pd, Te, Pt, He, Au.

По этой градации элементы, имеющие кларки выше 1000 г/т будут относиться к макроэлементам. Те, у которых кларки ниже – микроэлементы.

Учёт кларков безусловно необходим для правильного понимания закономерностей процессов миграции химических элементов. Различная распространённость элементов в природе имеет неизбежным следствием для многих из них наличие существенных различий в их поведении в лабораторных условиях и в природе. С уменьшением кларка снижается активная концентрация элемента, становится невозможным выпадение самостоятельной твёрдой фазы из водных растворов и других способов образования самостоятельных минеральных видов. Поэтому способность к самостоятельному минералообразованию зависит не только от химических свойств элемента, но и от его кларка.

Примеры: S и Se – химически полные аналоги, а их поведение в природных процессах различно. S – ведущий элемент многих природных процессов. Сероводород играет большую роль в химических процессах, происходящих в донных осадках и в глубинах земной коры, в формировании месторождений ряда металлов. Сера формирует самостоятельные минералы (сульфиды, сульфаты). Селеноводород существенной роли в природных процессах не играет. Селен находится в рассеянном состоянии как примесь в минералах, образуемых другими элементами. Аналогичны различия К и Cs, Si и Ge.

Одно из важнейших отличий геохимии от химии в том, что геохимия рассматривает только те химические взаимодействия, которые реализуются в конкретных природных условиях. Кроме того - учёт кларков (по крайней мере их порядков) в этом смысле является первоочередным требованием при любых геохимических построениях.

Существуют, и даже достаточно распространены самостоятельные минеральные фазы целого ряда элементов с низкими кларками. Причина в том, что в природе существуют механизмы, позволяющие обеспечивать формирование повышенных концентраций тех или иных элементов, в результате чего их содержание в каких-то участках могут многократно превышать кларковые. Поэтому кроме кларка элемента нужно учитывать и величину его концентрации в сравнении с кларковым содержанием.

Кларк концентрации – это соотношение содержания химического элемента в данном конкретном природном вещественном агрегате (горной породе и т.п.) к его кларку.

Примеры коэффициентов концентрации некоторых химических элементов в их рудных месторождениях: Al – 3,7; Mn – 350; Cu – 140; Sn – 250; Zn – 500; Au – 2000.

На этом основании элементы с низкими кларками подразделяются на две уже известные вам качественно различные группы. Те, для распределения которых не характерны высокие значениями КК, называются рассеянными (Rb, Ga, Re, Cd и др.). Способные формировать повышенные концентрации с высокими значениями КК – редкими (Sn, Be и др.).

Различиями в достигаемых величинах КК обусловлена разная роль тех или иных элементов в истории материально-технической деятельности человечества (с древности известные металлы с низкими кларками Au, Cu, Sn, Pb, Hg, Ag … - и более распространённые Al, Zr…).

Большую роль в процессах концентрации и рассеяния элементов в земной коре играет изоморфизм - свойство элементов замещать друг друга в структуре минерала. Изоморфизм – это способность близких по свойствам химических элементов замещать друг друга в переменных количествах в кристаллических решётках. Конечно, она свойственна не только микроэлементам. Но именно для них, в особенности для элементов рассеянных, она приобретает ведущее значение как основной фактор закономерности их распределения. Различают изоморфизм совершенный – когда взаимозаменяемые элементы могут замещать друг друга в любых соотношениях (ограничиваясь только соотношениями содержаний этих элементов в системе), и несовершенный – когда замещение возможно только до определённых пределов. Естественно, что чем ближе химические свойства, тем совершеннее изоморфизм.

Различают изоморфизм изовалентный и гетеровалентный.

Общность типа химической связи – то, что химики называют степенью ионности – ковалентности. Пример: хлориды и сульфиды – не изоморфны, а сульфаты с манганатами – изоморфны.

Механизм изовалентного изоморфизма. Однотипность химической формулы образуемых соединений и формируемой кристаллической решётки. То есть, если рубидий потенциально способен формировать соединения с теми же элементами, что и калий, и кристаллическая структура таких соединений однотипна, то атомы рубидия способны замещать атомы калия в его соединениях.

Подразделение химических элементов на макро- и микроэлементы, а последних – на редкие и рассеянные имеет большое значение, так как в природе далеко не все химические элементы образуют самостоятельные соединения. Это присуще главным образом элементам с высокими кларками, или с низкими, но способным локально формировать высокие концентрации (то есть редким).

Нахождение в природе в рассеянном состоянии и повсеместно (только в различных концентрациях) – это свойство всех химических элементов. Этот факт впервые констатировал В.И. Вернадский, и он получил название закона рассеяния химических элементов Вернадского. Но часть элементов способна кроме рассеянной формы нахождения присутствовать в природе и в другой форме – в форме химических соединений. А элементы с низкими концентрациями присутствуют только в рассеянной форме.

Механизм гетеровалентного изоморфизма несколько более сложен. Впервые на наличие такого типа изоморфизма обратил внимание в конце XIX в. Г. Чермак. Он доказал, что очень сложные химические формулы, получаемые для большинства минеральных соединений класса силикатов, являются таковыми именно по причине гетеровалентного изоморфизма, когда взаимно замещают друг друга целые группы атомов. Такой тип изоморфизма очень характерен именно для силикатных соединений.

Другими вариантами нахождения рассеянных атомов элементов в земной коре являются их локализация в дефектах кристаллической решетки, в её полостях, а также - в сорбированном состоянии на поверхности других частиц, в том числе, и коллоидных.

Для того чтобы определить основные свойства биосферы, необходимо сначала понять с чем мы имеем дело. Какова форма его организации и существования? Как она устроена и взаимодействует с внешним миром? В конечном счете, что это?

С появления термина в конце XIX века и до создания целостного учения биогеохимиком и философом В.И. Вернадским, определение понятия «биосфера» претерпело значительные изменения. Оно перешло из разряда места или территории, где обитают живые организмы в разряд системы, состоящей из элементов или частей, функционирующей по определенным правилам для достижения конкретной цели. Именно от того, в как рассматривать биосферу, и зависит, какие свойства ей присущи.

В основу термина положены древнегреческие слова: βιος - жизнь и σφαρα - сфера или шар. То есть это некоторая оболочка Земли, где есть жизнь. Земля, как самостоятельная планета, по утверждению ученых возникла около 4,5 млрд. лет назад, а еще через миллиард лет на ней появилась жизнь.

Архей, протерозой и фанерозой эон. Эоны состоят из эр. Последний состоит из палеозойской, мезозойской и кайнозойской. Эры из периодов. Кайнозойская из палеогена и неогена. Периоды из эпох. Нынешняя – голоценовая – началась 11,7 тысяч лет назад.

Границы и слои распространения

Биосфера имеет вертикальное и горизонтальное распространение. Вертикально ее принято условно разделять на три слоя, где существует жизнь. Это литосферу, гидросферу и атмосферу. Нижняя граница литосферы достигает 7,5 км от поверхности Земли. Гидросфера располагается между литосферой и атмосферой. Ее максимальная глубина 11 км. Атмосфере покрывает планету сверху и жизнь в ней существует, предположительно, на высоте до 20 км.

Кроме вертикальных слоев, биосфера имеет горизонтальное деление или зональность. Это изменение природной среды от экватора Земли к ее полюсам. Планета имеет форму шара и потому количество поступающих на ее поверхность света и тепла различно. Наиболее крупные зоны — это географические пояса. Начиная от экватора, идет сначала экваториальный, выше тропический, затем умеренный и, наконец, возле полюсов — арктический или антарктический. Внутри поясов располагаются природные зоны: лесов, степи, пустынь, тундры и так далее. Эти зоны характерны не только для суши, но и для Мирового океана. В горизонтальном расположении биосферы есть своя высотность. Она определяется поверхностным строением литосферы и различается от подножия горы к ее вершине.

На сегодняшний день флора и фауна нашей планеты насчитывает порядка 3000000 видов, а это всего лишь 5% от всего количества видов, которые успели «пожить» на Земле. В науке нашли свое описание около 1,5 млн. видов животных и 0,5 млн. видов растений. Есть не только неописанные виды, но и неизведанные области Земли, видовое наполнение которых, неизвестно.

Таким образом, биосфера обладает временной и пространственной характеристикой, а видовой состав живых организмов, ее наполняющий, меняется как во времени, так и в пространстве — по вертикали и горизонтали. Это и привело ученых к выводу, что биосфера не является плоскостной структурой и обладает признаками временной и пространственной изменяемостью. Осталось определить, под влиянием, какого внешнего фактора, она изменяется во времени, пространстве и структуре. Этим фактором является солнечная энергия.

Если принять, что виды всех живых организмов вне зависимости от пространственных и временных рамок, — это части, а их совокупность — целое, то их взаимодействие друг с другом и с внешней средой, является системой. Л фон Берталанфи и Ф.И. Перегудов, давая определение системы, утверждали, что она это комплекс взаимодействующих компонентов, или совокупность элементов, состоящих во взаимоотношениях друг с другом и со средой, или множество взаимосвязанных элементов, обособленных от среды и взаимодействующих с ней, как целое.

Система

Биосферу как единую целостную систему можно условно разделить на составные части. Самое распространенное такое делений – это видовое. Каждый вид животных или растений принимается за составную часть системы. Его также можно признать системой, со своей структурой и составом. Но вид не существует обособленно. Его представители живут на определенной территории, где они взаимодействуют не только между собой и окружающей средой, но и с другими видами. Такое проживание видов, на одной местности, называют экосистемой. Самая маленькая экосистема, в свою очередь, входит в большую. Та в еще большую и так до глобальной – до биосферы. Таким образом, биосферу, как систему, можно рассматривать состоящей из частей, которыми являются либо виды, либо биосферы. Разница лишь в том, что вид можно идентифицировать, потому, как он обладает признаками, отличающими его от других. Он самостоятелен и в другие виды – части не входит. С биосферами такое разграничение невозможно – одна часть другой.

Признаки

Система обладает еще двумя существенными признаками. Она создана для достижения определенной цели и функционирование целой системы эффективнее каждой ее части в отдельности.

Таким образом, свойства как системы, в ее целостности, синергетичности и иерархичности. Целостность заключается в том, что связи между ее частями или внутренние связи гораздо сильнее, чем с окружающей средой или внешние. Синергетичность или системный эффект в том, что возможности всей системы гораздо больше суммы возможностей ее частей. И, хотя каждый элемент системы сам система, тем не менее, он лишь часть общей и большей. В этом ее иерархичность.

Биосфера — это динамическая система, которая изменяет свое состояние под внешним воздействием. Она открыта, потому что обменивается веществом и энергией с внешней средой. У нее сложная структура, так как состоит из подсистем. И, наконец, она естественная система — образовалась в результате природных изменений на протяжении многих лет.

Благодаря этим качествам она может сама себя регулировать и организовывать. Это и есть основные свойства биосферы.

В середине XX века понятие саморегулирования впервые применил американский физиолог Уолтер Кеннон, а английский психиатр и кибернетик Уильям Росс Эшби ввел термин самоорганизации и сформулировал закон о требуемом разнообразии. Этот кибернетический закон формально доказывал, необходимость большого видового разнообразия для устойчивости системы. Чем разнообразие больше, тем вероятность системы удержать свою динамическую стабильность перед большими внешними воздействиями, выше.

Свойства

Реагировать на внешнее влияние, сопротивляться ему и преодолевать, воспроизводить себя и восстанавливать, то есть сохранять свое внутреннее постоянство, такова цель системы под названием биосфера. Эти качества всей системы построены на способности ее части, какой является вид, поддерживать определенную численность или гомеостаз, а также каждой отдельной особи или живого организма сохранять свои физиологические кондиции — гомеостат.

Как видно, эти свойства выработались у нее под влиянием и для противодействия внешним факторам.

Основным внешним фактором является солнечная энергия. Если количество химических элементов и соединений ограничено, то энергия Солнца поступает постоянно. Благодаря ей и происходит миграция элементов по пищевой цепи от одного живого организма к другому и превращение из неорганического состояния в органическое и обратно. Энергия ускоряет протекание этих процессов внутри живых организмов и по скорости реакции они происходят гораздо быстрее, чем во внешней среде. Количество энергии стимулирует к росту, размножению и увеличению численности видов. Разнообразие, в свою очередь, дает возможность дополнительного сопротивления внешнему влиянию, так как возникает возможность дублирования, подстраховки или замены видов в пищевой цепи. Миграция элементов, таким образом, будет дополнительно обеспечена.

Влияние человека

Единственной частью биосферы незаинтересованной в увеличении видового разнообразия системы является человек. Он всячески стремится упростить экосистемы, потому что так он сможет эффективнее за ней следить и регулировать в зависимости от своих потребностей. Потому все биосистемы, искусственно созданные человеком или степень его воздействия, на которые существенна, очень скудны в видовом плане. А их устойчивость и способность к самовосстановлению и саморегулированию стремится к нулю.

С появлением первых живых организмов, они начали менять условия существования на Земле под свои потребности. С появлением человека, уже он стал изменять биосферу планеты так, чтобы его жизнь была максимально комфортной. Именно комфортной, потому что о выживании или сохранении жизни речь не идет. Следуя логике, должно появиться нечто, что будет менять в своих целях уже самого человека. Интересно, что это будет?

Видео — Биосфера и ноосфера

Строение Земли - это совокупность, взаимодействие и зависимость друг от друга ее основных оболочек. Если бы на планете не было людей, то, возможно, ее поверхность сегодня выглядела бы иначе. На протяжении миллионов лет создавались эти оболочки, благодаря которым смогла появиться и развиться жизнь, а общие признаки литосферы, гидросферы, атмосферы, биосферы, присущие им, в настоящее время указывают на сильнейшее антропогенное воздействие на них деятельности людей.

Сферы Земли

Если рассматривать строение планеты с точки зрения ее ландшафтной сферы, то можно увидеть, что она включает в себя не только всем известную поверхность земной коры, но и несколько «соседних» оболочек. Именно такая тесная связь между границами обуславливает общие признаки, свойственные атмосфере, гидросфере, литосфере и биосфере. Они проявляются в постоянном обмене жидких, твердых и газообразных компонентов, присущих каждой из оболочек. Например, круговорот воды в природе - это обмен между гидросферой и атмосферой.

Если происходит извержение вулкана с выбросом пепла в воздух - это взаимосвязь литосферы с нижними слоями атмосферы, хотя некоторые катаклизмы могут быть такой мощности, что почти достигать ее средней части. В том случае, если вулкан расположен на острове или на дне океана, то будут задействованы все оболочки Земли, и атмосфера, и гидросфера, и литосфера, и биосфера. Последняя чаще всего выражена гибелью растительности и животного мира в радиусе действия природного катаклизма.

Условно сферы Земли можно разделить на 4 части: атмосферу, биосферу, гидросферу, литосферу, но некоторые из них состоят из нескольких составляющих.

Атмосфера

Атмосферой называют всю внешнюю газообразную сферу планеты, окружающую ее вплоть до вакуума в космосе. Если следующие оболочки Земли - литосфера, гидросфера, атмосфера, биосфера - взаимодействуют друг с другом, то о некоторых из их частей этого сказать нельзя. Атмосфера делится на 3 области, каждой из которых выделена своя высота, например:

Наибольший интерес для ученых и защитников природы представляет нижняя область тропосферы.

Гидросфера

Расположенное на поверхности земной коры и под ней водное пространство называется гидросферой. Это совокупность всех вод, как пресных, так и соленых, которые есть на планете. Глубина некоторых водоемов может достигать 3,5 км, что присуще океанам, а в некоторых участках, именуемых впадинами, даже углубляться более чем на 10 км. Самый глубокий из известных подводных «желобов» - это Марианская впадина, которая по данным на 2011 год уходит вниз на 10 994 м.

Так как от качества воды зависит жизнь на Земле, то гидросфера так же важна, как и воздух, вот почему все большее количество ученых-экологов обеспокоено следствием воздействия людей на эти сферы. Из воды на планете не только появилось все сущее, но от нее также зависит, чтобы на ней оставалась жизнь.

Ученые смогли доказать, что на месте, например, Сахары были прерии, которые пересекали полноводные реки. Когда вода покинула эту местность, ее постепенно заполнили пески. Если рассматривать, какие общие признаки у гидросферы, атмосферы, литосферы, биосферы, то можно заметить, что они напрямую зависят друг от друга, и все они влияют на существование жизни на Земле.

Если происходит экологическая катастрофа, из-за которой пересыхают реки (гидросфера), то страдают растительность и животные в этом регионе (биосфера), меняется состояние воздуха (атмосфера), и поверхность

Биосфера

Эта оболочка появилась с момента возникновения жизни на планете. Понятие "биосфера" было введено в качестве термина лишь в конце XIX века, и оно заключало в себя все формы и виды жизни, существующие на Земле.

У нее особенно крепкая связь с остальными оболочками планеты. Так различные микроорганизмы обнаружены в нижней части атмосферы. Люди, животные, птицы, насекомые и растения обитают на поверхности и под землей (литосфера). Реки, моря, озера и океаны (гидросфера) населяют пресноводные и морские рыбы, микроорганизмы, растения и животные.

Граница биосферы, как правило, определяется условиями, в которых могут находиться живые организмы, и они способны меняться. Так, например, в океанах жизнь протекает во всех слоях вплоть до их дна. Каждому слою присущ свой «набор» существ и микроорганизмов, что связано с насыщением солью воды и уровнем давления водяного столба. Чем ближе дно, тем оно выше.

Признаки биосферы (по-другому, сфера жизни) обнаружены на высоте 20 км выше уровня моря и на глубине 3 км от поверхности Земли.

Литосфера

«Литос» в переводе с греческого означает «камень», поэтому вся земная кора, представляющая собой каменные породы, была названа литосферой. У нее две части:

1. Верхний покров - это осадочные породы, содержащие в своем составе гранит.
2. Нижний уровень - это базальтовые породы.

Меньшая часть литосферы (всего 30 %) приходится на сушу, остальная покрыта водами Мирового океана. Связь литосферы с атмосферой, гидросферой, биосферой заключается в верхнем почвенном слое. Там развивается растительность и животная жизнь (биосфера), в ней живут аэробные бактерии, которым нужен воздух (атмосфера), осуществляется питание грунтовыми водами и в виде осадков (гидросфера).

Воздействие человека на атмосферу

Выше были перечислены основные признаки литосферы, гидросферы, атмосферы, биосферы. Так как они очень плотно взаимодействуют, то влияние на одну из них сразу же отражается на других. Это связано с тем, что общим признаком всех этих оболочек Земли является наличие в них жизни.

Сегодня можно наблюдать, какой вред нанесла деятельность людей на сферы планеты. Так выбросы в атмосферу вредных веществ, вырубка амазонских джунглей, запуск ракет и взлеты самолетов каждый день постепенно разрушают озоновый Если он станет меньше (сегодня его размер порядка 8 км), то все живое на планете может либо мутировать, либо погибнуть.

Если верить археологам, то Земля уже испытывала подобные потрясения, но в те далекие времена она не была населена людьми. В наше время все по-другому. Еще не так давно существовали города, где уровень выбросов выхлопных газов из автомобилей был столь высок, что люди вынуждены ходить по улицам в масках. Ученые и энтузиасты-экологи смогли «достучаться» до общественности, чтобы повернуть угрожающую ситуацию вспять.

Все больше стран, понимая, что качество жизни напрямую зависит от чистоты воздуха, которым дышит их население, переходят на альтернативные источники энергии, внедряют в повседневную жизнь электромобили, закрывают или модернизируют вредные производства. Это вселяет надежду, что у будущих поколений землян будет чистый воздух.

Человек и гидросфера

Не меньший вред люди нанесли и водным ресурсам планеты. Учитывая, что всего 3 % воды являются пресными, то есть пригодными для жизни, то человечество опять под угрозой. Тесная связь гидросферы с остальными оболочками Земли осуществляется через круговорот воды в природе.

Если какой-то водоем загрязнен, то испарившаяся с его поверхности вода может пролиться зараженным дождем в любой части света, нанося урон почве (литосфере), живой природе (биосфере), превращаться в ядовитый туман (атмосфера).

Хотя в работе по очистке и сохранению природных ресурсов планеты принимают участие многие государства, этого пока еще недостаточно. Всем хорошо известны проблемы с чистой питьевой водой в странах Африки и Азии, население которых болеет именно по причине загрязнения местных водоемов.

Нарушение человеком оболочек Земли

Так как все сферы планеты взаимосвязаны и обладают общим признаком - наличием жизни в них, то дисбаланс в одной тут же отражается на остальных. Углубление людей в недра Земли ради добычи полезных ископаемых, выбросы в атмосферу вредных химических веществ, разливы нефти в морях и океанах - все это приводит к тому, что каждый день исчезает или находится под угрозой исчезновения животный и растительный мир (биосфера).

Если человечество не остановит свою вредительскую деятельность, то спустя несколько сотен лет нарушения в оболочках планеты будут столь существенны, что все живое на планете вымрет. Примером может стать та же пустыня Сахара, которая когда-то была цветущим краем, в котором проживали первобытные люди.

Заключение

Каждый миг оболочки Земли обмениваются между собой своими составляющими. Они существуют уже миллиарды лет, взаимодействуя друг с другом. Выше были даны определения литосферы, атмосферы, гидросферы, биосферы, и пока люди не поймут, что планета - это живой организм, и если удалить в нем один «орган», тут же страдает все тело, то смертность населения будет только увеличиваться.

Разберём более подробно составляющие биосферы.

Земная кора – это преобразованная в ходе геологического времени твёрдая оболочка, слагающая верхнюю часть литосферы Земли . Целый ряд минералов земной коры (известняки, мел, фосфориты, нефть, уголь и др.) возникли из тканей погибших организмов. Парадоксальный факт, что сравнительно небольшие живые организмы смогли вызвать явления геологического масштаба, что объясняется их высочайший способностью к размножению. Например, холерный вирион при благоприятных условиях может создать массу вещества, равную массе земной коры всего за 1,75 суток! Можно предположить, что в биосферах прежних эпох колоссальные массы живого вещества перемещались по планете, образуя в результате гибели запасы нефти, угля и т.п.

Биосфера существует, используя многократно одни и те же атомы. При этом на долю 10 элементов, расположенных в первой половине периодической системы (кислород – 29,5%, натрий, магний – 12,7%, алюминий, кремний – 15,2%, сера, калий, кальций, железо – 34,6%) приходится 99% всей массы нашей планеты (масса Земли – 5976*10 21 кг), а 1% на долю остальных элементов . Однако значение этих элементов очень велико – они играют существенную роль в живом веществе.

В.И. Вернадский разделил все элементы биосферы на 6 групп, каждая из которых выполняет определенные функции в жизни биосферы . Первая группа – инертные газы (гелий, криптон, неон, аргон, ксенон). Вторая группа – благородные металлы (рутений, палладий, платина, осмий, иридий, золото). В земной коре элементы этих групп химически малоактивны, их масса незначительна (4,4*10 -4 % от массы земной коры), а участие в образовании живого вещества слабо изучено. Третья группа – лантаноиды (14 химических элементов - металлов) составляют 0,02% от массы земной коры и их роль в биосфере не изучена. Четвертая группа – радиоактивные элементы являются основным источником образования внутреннего тепла Земли и оказывают влияние на рост живых организмов (0,0015% массы земной коры). Некоторые элементы пятой группы – рассеянные элементы (0,027% земной коры) – играют существенную роль в жизни организмов (например, йод и бром). Самую большую шестую группу составляют циклические элементы , которые, пройдя ряд превращений в геохимических процессах, возвращаются к исходным химическим состояниям. К этой группе относятся 13 легких элементов (водород, углерод, азот, кислород, натрий, магний, алюминий, кремний, фосфор, сера, хлор, калий, кальций) и один тяжелый элемент (железо) .

Биота – это совокупность всех видов растений, животных и микроорганизмов. Биота является активной частью биосферы, определяющей все важнейшие химические реакции, в результате которых создаются основные газы биосферы (кислород, азот, окись углерода, метан) и устанавливаются между ними количественные соотношения. Биота непрерывно образует биогенные минералы и поддерживает постоянный химический состав океанических вод. Её масса составляет не более 0,01% от массы всей биосферы и ограничивается количеством углерода в биосфере. Основную биомассу составляют зеленые растения суши – около 97%, а биомасса животных и микроорганизмов – 3%.

Биота в основном состоит из циклических элементов. Особенно велика роль таких элементов, как углерод, азот и водород, процентное содержание которых в биоте выше, чем в земной коре (углерода в 60 раз, азота и водорода в 10 раз) . На рисунке приведена схема замкнутого углеродного цикла. Только благодаря круговороту основных элементов в таких циклах (прежде всего углерода) возможно существование жизни на Земле.

Загрязнение литосферы. Жизнь, биосфера и важнейшее звено и в ее механизме – почвенный покров, привычно называемый землей, – составляют уникальность нашей планеты во вселенной. И в эволюции биосферы, в явлениях жизни на Земле значение почвенного покрова (суши, мелководий и шельфа) как особой планетарной оболочки неизменно возросло.

Почвенный покров – важнейшее природное образование. Его роль в жизни общества определяется тем, что почва представляет собой основной источник продовольствия, обеспечивающий 95-97% продовольственных ресурсов для населения планеты . Особое свойство почвенного покрова – его плодородие , под которым понимается совокупность свойств почвы, обеспечивающих урожай сельскохозяйственных культур . Естественное плодородие почвы связано с запасом питательных веществ в ней и ее водным, воздушным и тепловым режимами. Почва обеспечивает потребность растений в водном и азотном питании, являясь важнейшим агентом их фотосинтетической деятельности. Плодородие почвы зависит также от величины аккумулированной в ней солнечной энергии. Почвенный покров принадлежит к саморегулирующейся биологической системе, являющейся важнейшей частью биосферы в целом. Живые организмы, растения и животные, населяющие Землю, фиксируют солнечную энергию в форме фито– или зоомассы. Продуктивность наземных экосистем зависит от теплового и водного балансов земной поверхности, который определяет многообразие форм обмена энергией и веществом в пределах географической оболочки планеты.

Особое внимание нужно уделить земельным ресурсам. Площадь земельных ресурсов мира составляет 149 млн. км 2 , или 86,5% площади суши . Пашня и многолетние насаждения в составе сельскохозяйственных угодий в настоящее время занимают около 15 млн. км 2 (10% суши), сенокосы и пастбища – 37.4 млн. км 2 (25%) .Общая площадь пахотнопригодных земель оценивается различными исследователями по-разному: от 25 до 32 млн. км 2. Земельные ресурсы планеты позволяют обеспечить продуктами питания больше населения, чем имеется в настоящее время и будет в ближайшем будущем. Вместе с тем в связи с ростом населения, особенно в развивающихся странах, количество пашни на душу населения сокращается. Еще 10-15 лет назад душевная обеспеченность пашней населения Земли составляла 0,45-0,5га, в настоящее время она составляет уже 0,35-37 га .

Все пригодные для употребления вещественные составляющие литосферы, используемые в хозяйстве как сырье или источники энергии, называются минеральными ресурсами . Минеральное сырье может быть рудным , если из него извлекаются металлы, и нерудным , если из него извлекаются неметаллические компоненты (фосфор и т.д.) или используются как строительные материалы .

Если же минеральное богатство используется как топливо (уголь, нефть, газ, горючие сланцы, торф, древесина, атомная энергия) и одновременно как источник энергии в двигателях для получения пара и электричества, то их называют топливно-энергетическими ресурсами .

Гидросфера . Вода занимает преобладающую часть биосферы Земли (71% земной поверхности) и составляет около 4% массы земной коры. Её средняя мощность равна 3,8 км, средняя глубина – 3554м, площадь: 1350 млн. км 2 – океаны, 35 млн. км 2 – пресные воды .

На массу океанической воды приходится 97% массы всей гидросферы (2*10 21 кг). Роль океана в жизни биосферы огромна: в нем протекают основные химические реакции, обуславливающие производство биомассы и химическую очистку биосферы. Так, за 40 дней поверхностный пятисотметровый слой воды в океане проходит через фильтрационный аппарат планктона, следовательно (с учетом перемешивания) в течение года вся океаническая вода океана подвергается очистке. Все составляющие гидросферы (водяные пары атмосферы, воды морей, рек, озер, ледников, болот, подземные воды) находятся в непрерывном движении и обновлении.

Вода – основа биоты (живое вещество на 70% состоит из воды) и ее значение в жизни биосферы является определяющим. Можно назвать такие важнейшие функции воды, как:

1. производство биомассы;

2. химическая очистка биосферы;

3. обеспечение углеродного баланса;

4. стабилизация климата (вода выполняет роль буфера в тепловых процессах на планете).

Огромное значение мирового океана состоит в том, что он продуцирует своим фитопланктоном почти половину всего кислорода атмосферы, т.е. является своего рода «легкими» планеты. При этом растения и микроорганизмы океана в процессе фотосинтеза усваивают ежегодно значительно большую часть углекислого газа, чем поглощают растения на суше.

Живые организмы океана – гидробионаты – подразделяются на три основные экологические группы: планктон, нектон и бентос . Планктон – совокупность пассивно плавающих и переносимых морскими течениями растений (фитопланктон), живых организмов (зоопланктон) и бактерий (бактериопланктон). Нектон – это группа активно плавающих живых организмов, перемещающихся на значительные расстояния (рыбы, китообразные, тюлени, морские змеи и черепахи, кальмары осьминоги и др.). Бентос – это организмы, обитающие на морском дне: сидячие (кораллы, водоросли, губки); роющие (черви, моллюски); ползающие (ракообразные, иглокожие); свободно плавающие у самого дна. Наиболее богаты бентосом прибрежные районы океанов и морей .

Мировой океан – источник огромных минеральных ресурсов. Уже сейчас из него добывается нефть, газ, 90% брома, 60% магния, 30% поваренной соли и т.д . В океане имеются огромные запасы золота, платины, фосфоритов, окислов железа и марганца, других минералов. Уровень добычи полезных ископаемых в океане постоянно растет.

Загрязнение гидросферы. Во многих регионах мира состояние водоемов вызывает большую тревогу. Загрязнение водных ресурсов не без основания рассматривается сейчас как самая серьезная угроза окружающей среде. Речная сеть фактически функционирует как естественная канализационная система современной цивилизации.

Наиболее загрязненными оказываются внутренние моря . Они имеют более длинную береговую линию и поэтому больше подвержены загрязнениям. Накопленный опыт борьбы за чистоту морей свидетельствует о том, что это несравнимо более трудная задача, чем охрана рек и озер.

Процессы загрязнения вод обусловлены различными факторами. Основные из них: 1) сброс в водоёмы неочищенных сточных вод; 2) смыв ядохимикатов ливневыми осадками; 3) газодымовые выбросы; 4) утечка нефти и нефтепродуктов .

Наибольший вред водоёмам причиняет выпуск в них неочищенных сточных вод – промышленных, коммунально-бытовых, коллекторно-дренажных и др. Промышленные сточные воды загрязняют экосистемы различными компонентами в зависимости от специфики отраслей промышленности.

Уровень загрязнения российских морей (за исключением Белого моря), по данным Государственного доклада «О состоянии окружающей среды Российской Федерации», в 1998г. превышал ПДК по содержанию углеводородов, тяжелых металлов, ртуть; поверхностно активных веществ (ПАВ) в среднем в 3-5 раз .

Попадание загрязнений на дно океана оказывает серьезное влияние на характер биохимических процессов. В связи с этим приобретает особое значение оценка экологической безопасности при планируемой добычи полезных ископаемых со дна океана, прежде всего железно-марганцевых конкреций, содержащих марганец, медь, кобальт и другие ценные металлы. В процессе сгребания дна на длительный период будет уничтожена сама возможность жизни на дне океана, а попадание на поверхность извлеченных со дна веществ может вредно отразиться на воздушной атмосфере региона.

Огромный объем Мирового океана свидетельствует о неисчерпаемости природных ресурсов планеты. Кроме того, Мировой океан является коллектором речных вод суши, ежегодно принимая около 39 тыс. км 3 воды . Наметившееся загрязнение Мирового океана грозит нарушить естественный процесс влагооборота в его наиболее ответственном звене – испарении с поверхности океана.

В Водном Кодексе Российской Федерации понятие «водные ресурсы » определяется как «запасы поверхностных и подземных вод, находящиеся в водных объектах, которые используются или могут быть использованы» . Вода является важнейшим компонентом окружающей среды, возобновляемым, ограниченным и уязвимым природным ресурсом, используется и охраняется в Российской Федерации как основа жизни и деятельности народов, проживающих на ее территории, обеспечивают экономическое, социальное, экологическое благополучие населения, существование животного и растительного мира.

Всякий водоем или водный источник связан с окружающей его внешней средой. На него оказывают влияние условия формирования поверхностного или подземного водного стока, разнообразные природные явления, индустрия, промышленное и коммунальное строительство, транспорт, хозяйственная и бытовая деятельность человека. Последствием этих влияний является привнесение в водную среду новых, несвойственных ей веществ – загрязнителей, ухудшающих качество воды. Загрязнения, поступающие в водную среду, классифицируют по-разному, в зависимости от подходов, критериев и задач. Так, обычно выделяют химическое, физическое и биологическое загрязнения. Химическое загрязнение представляет собой изменение естественных химических свойств воды за счет увеличения содержания в ней вредных примесей как неорганической (минеральные соли, кислоты, щелочи, глинистые частицы), так и органической природы (нефть и нефтепродукты, органические остатки, поверхностно активные вещества, пестициды) .

Несмотря на огромные средства, затрачиваемые на строительство очистных сооружений, многие реки по-прежнему остаются грязными, особенно на урбанизированных территориях. Процессы загрязнения коснулись даже Мирового океана. И это не кажется удивительным, так как все попавшие в реки поллютанты в конечном счете устремляются в океан и достигают его, если являются трудно разлагаемыми .

Экологические последствия загрязнения морских экосистем выражаются в следующих процессах и явлениях :

нарушение устойчивости экосистем;

прогрессирующий эвтрофикации;

появление «красных приливов»;

накопление химических токсикантов в биоте;

снижение биологической продуктивности;

возникновение мутагенеза и канцерогенеза в морской среде;

микробиологическое загрязнение прибрежных районов мира.

Защита водной экосистемы сложная и очень важная проблема. С этой целью предусматриваются следующие экозащитные мероприятия:

– развитие безотходных и безводных технологий; внедрение систем оборотного водоснабжения;

– очистка сточных вод (промышленных, коммунально-бытовых и др.);

– закачка сточных вод в глубокие водоносные горизонты;

– очистка и обеззараживание поверхностных вод, используемых для водоснабжения и других целей .

Главный загрязнитель поверхностных вод – сточные воды, поэтому разработка и внедрение эффективных методов очистки сточных вод представляется весьма актуальной и экологически важной задачей. Наиболее действенным способом защиты поверхностных вод от загрязнения их сточными водами является разработка и внедрение безводной и безотходной технологии производства, начальным этапом которой является создание оборотного водоснабжения.

При организации системы оборотного водоснабжения в неё включают ряд очистных сооружений и установок, что позволяет создать замкнутый цикл использования производственных и бытовых сточных вод. При таком способе водоподготовки сточные воды все время находятся в обороте и попадание их в поверхностные водоемы полностью исключено.

Ввиду огромного многообразия состава сточных вод существуют различные способы их очистки: механический, физико-химический, химический, биологический и др. В зависимости от степени вредности и характера загрязнений очистка сточных вод может производиться каким-либо одним способом или комплексом методов (комбинированный способ). В процессе очистки предусматривают обработку осадка (или избыточной биомассы) и обеззараживание сточных вод перед сбросом их в водоем .

В последние годы активно разрабатываются новые эффективные методы, способствующие экологичности процессов очистки сточных вод:

– электрохимические методы, основанные на процессах анодного окисления и катодного восстановления, электрокоагуляции и электрофлотации;

– мембранные процессы очистки (ультрафильтры, электродиализ, и другие);

– магнитная обработка, позволяющая улучшить флотацию взвешенных частиц;

– радиационная очистка воды, позволяющая в кратчайшие сроки подвергать загрязняющие вещества окислению, коагуляции и разложению;

– озонирование, при котором в сточных водах не образуется веществ, отрицательно воздействующих на естественные биохимические процессы;

– внедрение новых селективных типов для избирательного выделения полезных компонентов из сточных вод с целью вторичного использования, и другие .

Известно, что роль в заражении водных объектов играют пестициды и удобрения, смываемые поверхностным стоком с сельскохозяйственных угодий. Для предотвращения попадания загрязняющих стоков в водоемы необходим комплекс мероприятий, включающих:

соблюдение норм и сроков внесения удобрений и ядохимикатов;

очаговую и ленточную обработку пестицидами вместо сплошной;

внесение удобрений в виде гранул и по возможности вместе с поливной водой;

замену ядохимикатов биологическими способами защиты растений.

Мероприятия по охране вод и морей и Мирового океана заключаются в устранении причин ухудшения качества и загрязнения вод . Особые меры по предупреждению загрязнения морской воды следует предусматривать при разведке и освоении нефтяных и газовых месторождений на материковых шельфах. Необходимо ввести запрет на захоронение токсичных веществ в океане, сохранять мораторий на испытание ядерного оружия.

Атмосфера –воздушная средавокруг Земли, ее масса около 5,15*10 18 кг. Она имеет слоистое строение и состоит из нескольких сфер, между которыми располагаются переходные слои – паузы. В сферах изменяется количество воздуха и температура .

В зависимости от распределения температуры атмосферу подразделяют на:

– тропосферу (протяженность её по высоте в средних широтах составляет 10-12 км над уровнем моря, на полюсах – 7-10, над экватором – 16-18 км, здесь сосредоточено более 4/5 массы земной атмосферы; из-за неравномерности нагрева земной поверхности в тропосфере образуются мощные вертикальные токи воздуха, отмечаются неустойчивость температуры, относительной влажности, давления, температура воздуха в тропосфере по высоте уменьшается на 0,6 о С на каждые 100м и колеблется от +40 до –50 о С);

– стратосферу (имеет протяженность около 40 км, воздух в ней разрежен, влажность невысокая, температура воздуха от –50 до 0 о С на высотах около 50 км; в стратосфере под воздействием космического излучения и коротковолновой части ультрафиолетового излучения солнца молекулы воздуха ионизируются, в результате чего образуется озоновый слой, находящийся на высоте 25-40 км);

– мезосферу (от 0 до –90 о С на высотах 50-55 км);

– термосферу (для неё характерно непрерывное повышение температуры с увеличением высоты – на высоте 200км 500 о С, а на высоте 500-600 км превышает 1500 о С; в термосфере газы очень разрежены, их молекулы движутся с большой скоростью, но редко сталкиваются между собой и поэтому не могут вызвать даже небольшого нагревания находящегося здесь тела);

– экзосферу (от нескольких сотен км).

Неравномерность нагревания способствует общей циркуляции атмосферы, которая влияет на погоду и климат Земли.

Газовый состав атмосферы следующий: азот (79,09%), кислород (20,95%), аргон (0,93%), углекислый газ (0,03%) и незначительное количество инертных газов (гелий, неон, криптон, ксенон), аммиака, метана, водорода и др. . В нижних слоях атмосферы (20 км) содержится водяной пар, количество которого с высотой быстро убывает. На высоте 110-120 км кислород почти весь становится атомарным. Предполагается, что выше 400-500 км и азот находится в атомарном состоянии. Кислородно-азотный состав сохраняется примерно до высоты 400-600 км . Слой озона, предохраняющий живые организмы от вредного коротковолнового излучения, расположен на высоте 20-25 км. Выше 100 км растет доля легких газов, и на очень больших высотах преобладают гелий и водород; часть молекул газов распадаются на атомы и ионы, образуя ионосферу . Давление и плотность воздуха с высотой убывают.

Загрязнение атмосферы. Атмосфера оказывает огромное влияние на биологические процессы на суше и в водоемах. Содержащийся в ней кислород используется в процессе дыхания организмов и при минерализации органического вещества, углекислый газ расходуется в ходе фотосинтеза автотрофными растениями, озон снижает вредное для организмов ультрафиолетовое излучение солнца. Кроме того, атмосфера способствует сохранению тепла Земли, регулирует климат, воспринимает газообразные продукты обмена веществ, переносит водяные пары по планете и т.д. Без атмосферы невозможно существование сколько-нибудь сложных организмов. Поэтому вопросы предотвращения загрязнения атмосферы всегда были и остаются актуальными.

Для оценки состава и загрязнения атмосферы используется понятие концентрации (С, мг/м 3).

Чистый естественный воздух имеет следующий состав (в % об): азот 78,8 %; кислород 20,95 %; аргон 0,93 %; СО 2 0,03 %; прочие газы 0,01 %. Считается, что такому составу должен соответствовать воздух на высоте 1м над поверхностью океана вдали от берегов .

Как и для всех других составляющих биосферы, для атмосферы существуют два главных источника загрязнения: естественный и антропогенный (искусственный). Вся классификация источников загрязнения может быть представлена по вышеприведенной структурной схеме: промышленность, транспорт, энергетика – основные источники загрязнения воздушного бассейна. По характеру воздействия на биосферу загрязнители атмосферы можно разделить на 3 группы:1) влияющие на глобальное потепление климата; 2) разрушающие биоту; 3) разрушающие озоновый слой.

Отметим краткие характеристики некоторых загрязнителей атмосферы.

К загрязнителям первой группы следует отнести СО 2 , закись азота, метан, фреоны . В создание «парникового эффекта » главный вклад вносит углекислый газ, концентрация которого ежегодно возрастает на 0,4% (более подробно о парниковом эффекте рассматривается в главе 3.3). По сравнению с серединой XIX века содержание СО 2 возросло на 25%, закиси азота на 19%.

Фреоны – химические соединения, несвойственные атмосфере, используемые в качестве хладагентов – повинны на 25% в создании парникового эффекта в 90-е годы. Расчеты показывают, что, несмотря на Монреальское соглашение 1987г. об ограничении использования фреонов, к 2040г. концентрация основных фреонов существенно возрастёт (хлорфторуглерода с 11 на 77%, хлорфторуглерода – с 12 на 66%), что приведет к усилению парникового эффекта на 20% . Возрастание содержания метана в атмосфере произошло незначительно, однако удельный вклад этого газа примерно в 25 раз выше, чем углекислого газа. Если не прекратить поступление в атмосферу «парниковых» газов, среднегодовые температуры на Земле к концу XXI века поднимутся в среднем на 2,5-5°С. Необходимо: сократить сжигание углеводородного топлива и сведение лесов. Последнее опасно, кроме того, что приведет к увеличению углерода в атмосфере, также вызовет снижение ассимилирующей способности биосферы.

К загрязнителям второй группы следует отнести двуокись серы, взвешенные твердые частицы, озон, окись углерода, окись азота, углеводороды . Из этих веществ в газообразном состоянии наибольший ущерб биосфере наносят двуокись серы и окислы азота, которые в процессе химических реакций преобразуются в мелкие кристаллы солей серной и азотной кислоты. Наиболее острой является проблема загрязнения атмосферы серосодержащими веществами. Диоксид серы оказывает вредное действие на растения. Поступая внутрь листа при дыхании, SO 2 угнетает жизнедеятельность клеток. При этом листья растений сначала покрываются бурыми пятнами, а потом засыхают.

Диоксид серы и другие ее соединения раздражают слизистую оболочку глаз и дыхательные пути. Продолжительное действие малых концентраций SO 2 ведет к возникновению хронического гастрита, гепатопатии, бронхита, ларингита и других болезней. Есть сведения о связи между содержанием SO 2 в воздухе и уровнем смертности от рака легких .

В атмосфере SO 2 окисляется до SO 3 . Окисление происходит каталитически под воздействием следов металлов, главным образом марганца. Кроме того, газообразный и растворенный в воде SO 2 может окисляться озоном или пероксидом водорода. Соединяясь с водой, SO 3 образует серную кислоту, которая с металлами, имеющимися в атмосфере, образует сульфаты. Биологическое действие кислых сульфатов при равенстве концентраций более выражено по сравнению с SO 2 . Диоксид серы существует в атмосфере от нескольких часов до нескольких дней в зависимости от влажности и других условий.

Вообще аэрозоли солей и кислот проникают в чувствительные ткани легких, опустошают леса и озера, снижают урожай, разрушают постройки, архитектурные и археологические памятники. Взвешенные твердые частицы представляют опасность для здоровья населения, превосходящую опасность кислотных аэрозолей. В основном это опасность больших городов. Особенно вредные твердые вещества содержатся в выхлопных газах дизелей и двухтактных бензиновых двигателей. Большинство твердых частиц в воздухе промышленного происхождения в развитых странах успешно улавливаются всевозможными техническими средствами.

Озон в приземном слое появляется в результате взаимодействия углеводородов, образующихся при неполном сгорании топлива в автомобильных двигателях и выделяющихся при многих производственных процессах, с окислами азота. Это один из наиболее опасных загрязнителей, поражающих органы дыхания. Он наиболее интенсивен в жаркую погоду.

Окись углерода, окислы азота и углеводороды в основном поступают в атмосферу с выхлопными газами автомобилей. Все перечисленные химические соединения оказывают разрушительное действие на экосистемы при концентрациях даже более низких, чем допустимые для человека, а именно: закисляют водные бассейны, убивая в них живые организмы, губят леса, снижают урожаи сельскохозяйственных культур (особенно опасен озон). Исследования в США показали, что современные концентрации озона снижают урожай сорго и кукурузы на 1%, хлопка и соевых бобов – на 7%, люцерны – более чем на 30% .

Из загрязнителей разрушающих стратосферный озоновый слой следует отметить фреоны, азотные соединения, выхлопы сверхзвуковых самолетов и ракет.

Основным источником хлора в атмосфере считаютсяфторхлороуглеводороды, широко используемые в качестве холодильных агентов. Они используются не только в холодильных установках, но и в многочисленных бытовых аэрозольных баллонах с красками, лаками, инсектицидами. Молекулы фреонов отличаются стойкостью и способны практически без изменений переноситься с атмосферными массами на огромные расстояния. На высотах 15–25км (зона максимального содержания озона) они подвергаются воздействию ультрафиолетовых лучей и распадаются с образованием атомарного хлора.

Установлено, что за последнее десятилетие потери озонового слоя составили 12–15% в полярных и 4–8% в средних широтах . В 1992 году были установлены ошеломляющие результаты: на широте Москвы обнаружены участки с потерей озонового слоя до 45%. Уже сейчас по причине усиления ультрафиолетовой инсоляции наблюдается снижение урожаев в Австралии и Новой Зеландии, увеличение заболеваний раком кожи .

Техногенные вещества биосферы, оказывающие вредное воздействие на биоту, классифицируются следующим образом (приводится общая классификация, справедливая не только для газообразных веществ) . По степени опасности все вредные вещества разделены на четыре класса (табл.2):

I – чрезвычайно опасные вещества;

II – высоко опасные вещества;

III – умеренно опасные вещества;

IV – малоопасные вещества.

Отнесение вредного вещества к классу опасности производят по показателю, значение которого соответствует наиболее высокому классу опасности.

Здесь: А) – концентрация, которая при ежедневной (кроме выходных дней) работе в течение 8ч, или другой продолжительности, но не более 41ч в неделю, в течение всего рабочего стажа не может вызвать заболеваний или отклонений в состоянии здоровья, обнаруживаемых современными методами исследований в процессе работы или в отдаленные сроки жизни настоящего и последующего поколений;

Б) – доза вещества, вызывающая гибель 50% животных при однократном введении в желудок;

В) – доза вещества, вызывающая гибель 50% животных при однократном нанесении на кожу;

Г) – концентрация вещества в воздухе, вызывающая гибель 50% животных при 2-4 часовом ингаляционном воздействии;

Д) – отношение максимально допустимой концентрации вредного вещества в воздухе при 20 о С к средней смертельной концентрации для мышей;

Е) – отношение средней смертельной концентрации вредного вещества к минимальной (пороговой) концентрации, вызывающей изменение биологических показателей на уровне целостного организма, выходящих за пределы приспособительных физиологических реакций;

Ж) – Отношение минимальной (пороговой) концентрации, вызывающей изменение биологических показателей на уровне целостного организма, выходящих за пределы приспособительных физиологических реакций, к минимальной (пороговой) концентрации, вызывающей вредное действие в хроническом эксперименте по 4ч, 5раз в неделю на протяжении не менее 4-х месяцев.

Таблица 2 Классификация вредных веществ

Показатель	Норма для класса опасности
(А) Предельно допустимая концентрация (ПДК) вредных веществ в воздухе рабочей зоны, мг/м 3
(Б) Средняя смертельная доза при введении в желудок (ССДЖ), мг/кг				более 5000
(В) Средняя смертельная доза при нанесении на кожу (ССДК), мг/кг				более 2500
(Г) Средняя смертельная концентрация в воздухе (ССКВ), мг/м 3				более 50000
(Д) Коэффициент возможности ингаляционного отравления (КВИО)
(Е) Зона острого действия (ЗОД)
(Ж) Зона хронического действия (ЗХД)	более 10,0

Опасность загрязняющих атмосферу веществ для здоровья человека, зависит не только от их содержания в воздухе, но и от класса опасности. Для сравнительной оценки атмосферы городов, районов с учетом класса опасности загрязняющих веществ используется индекс загрязнения атмосферы.

Единичный и комплексный индексы загрязнения атмосферы могут рассчитываться для разных временных интервалов – за месяц, год. При этом в расчетах используются среднемесячная и среднегодовая концентрация загрязняющих веществ.

Для тех загрязняющих веществ, для которых не установлены ПДК (предельно допустимая концентрация ), устанавливается ориентировочно безопасные уровни воздействия (ОБУВ) . Как правило, это объясняется тем, что не накоплен опыт их применения, достаточный для суждения об отдаленных последствиях воздействия их на население. Если в технологических процессах выделяется и поступает в воздушную среду вещества, на которые нет утвержденных ПДК или ОБУВ, предприятия обязаны обращаться в территориальные органы Минприроды для установления временных нормативов. Кроме того, для некоторых веществ, загрязняющих воздух от случая к случаю, установлены только разовые ПДК (например, для формалина).

Для некоторых тяжелых металлов нормируются не только среднесуточное содержание в атмосферном воздухе (ПДК сс), но и предельно допустимая концентрация при разовых замерах (ПДК рз) в воздухе рабочей зоны (например, для свинца – ПДК сс =0,0003мг/м 3 , а ПДК рз =0,01мг/м 3) .

Нормируются также допустимые концентрации пылей и пестицидов в атмосферном воздухе. Так, для пылей, содержащих диоксид кремния, ПДК зависит от содержания в ней свободной SiO 2 при изменении содержания SiO 2 от 70% до 10% ПДК меняется от 1мг/м 3 до 4,0 мг/м 3 .

Некоторые вещества обладают однонаправленным вредным воздействием, которое называется эффектом суммации (например, ацетон, акролеин, фталевый ангидрид – 1 группа).

Антропогенные загрязнения атмосферы можно характеризовать по длительности присутствия в атмосфере, по скорости возрастания их содержания, по масштабу влияния, по характеру влияния.

Длительность присутствия одних и тех же веществ различна в тропосфере и стратосфере. Так, CO 2 присутствует в тропосфере 4 года, а в стратосфере – 2 года, озон – 30-40 суток в тропосфере, и 2 года в стратосфере, а окись азота – 150 лет (и там, и там) .

Различна скорость накопления загрязнений в атмосфере (вероятно, связанная с утилизационной способностью биосферы). Так содержание CO 2 возрастает по 0,4% в год, а окислов азота – по 0,2% в год .

Основные принципы гигиенического нормирования атмосферных загрязнителей.

В основе гигиенического нормирования атмосферных загрязнений лежат следующие критерии вредности атмосферных загрязнений :

1. Допустимой может быть признана только такая концентрация того или иного вещества в атмосферном воздухе, которая не оказывает на человека прямого или косвенного вредного и неприятного действия, не снижает его работоспособности, не влияет на самочувствие и настроение.

2. Привыкание к вредным веществам должно рассматриваться как неблагоприятный момент и доказательство недопустимости изучаемой концентрации.

3. Недопустимы такие концентрации вредных веществ, которые неблагоприятно влияют на растительность, климат местности, прозрачность атмосферы и бытовые условия жизни населения .

Решение вопроса о допустимом содержании атмосферных загрязнений основывается на представлении о наличие порогов в действии загрязнений.

При научном обосновании ПДК вредных веществ в атмосферном воздухе используют принцип лимитирующего показателя (нормирование по наиболее чувствительному показателю). Так, если запах, ощущается при концентрациях, не оказывающих вредного влияния на организм человека и внешнюю среду, нормирование осуществляют с учетом порога обоняния. Если вещество оказывает на окружающую среду вредное действие в меньших концентрациях, то при гигиеническом нормировании учитывают порог действия этого вещества на внешнюю среду .

Для веществ, загрязняющих атмосферный воздух, в России установлены два норматива: разовая и среднесуточная ПДК .

Максимальная разовая ПДК устанавливается для предупреждения рефлекторных реакций у человека (ощущения запаха, изменение биоэлектрической активности мозга, световой чувствительности глаз и др.) при кратковременном (до 20 минут) воздействии атмосферных загрязнений, а среднесуточная – с целью предупреждения их резорбтивного (общетоксичного, мутагенного, канцерогенного и др.) влияний.

Таким образом, все составляющие биосферы испытывают на себе колоссальное техногенное влияние человека. В настоящее время есть все основания говорить о техносфере как о «сфере неразумности».

Вопросы для самоконтроля

1. Групповая классификация элементов биосферы В.И. Вернадского.

2. Какими факторами определяется плодородие почвы?

3. Что такое «гидросфера»? Распределение и роль воды в природе.

4. В каких формах присутствуют вредные примеси в сточных водах, и как это отражается на выборе способов очистки сточных вод?

5. Отличительные особенности разных слоёв атмосферы.

6. Понятие вредного вещества. Классы опасности вредных веществ.

7. Что такое ПДК? Единицы измерения ПДК в воздухе и в воде. Где кон­тролируются ПДК вредных веществ?

8. Каким образом подразделяются источники выделения и выбросов вредных веществ в атмосферу?

3.3 Кругооборот веществ в биосфере . Биосферный цикл углерода. Парниковый эффект: механизм возникновения и возможные последствия.

Процессы фотосинтеза органических веществ продолжаются сотни миллионов лет. Но поскольку Земля конечное физическое тело, то любые химические элементы также физически конечны. За миллионы лет они должны, казалось бы, оказаться исчерпанными. Однако этого не происходит. Более того, человек постоянно интенсифицирует этот процесс, повышая продуктивность созданных им экосистем.

Все вещества на нашей планете находятся в процессе биохимического кругооборота веществ. Выделяют 2 основных кругооборота большой или геологический и малый или химический .

Большой кругооборот длится миллионы лет. Он заключается в том, что горные породы подвергаются разрушению, продукты разрушения сносятся потоками воды в Мировой океан или частично возвращаются на сушу вместе с осадками. Процессы опускания материков и поднятия морского дна в течение длительного времени приводят к возвращению на сушу этих веществ. И процессы начинаются вновь.

Малый кругооборот , являясь частью большого, происходит на уровне экосистемы и заключается в том, что питательные вещества почвы, вода, углерод аккумулируются в веществе растений, расходуются на построение тела и жизненные процессы. Продукты распада почвенной микрофлоры вновь разлагаются до минеральных компонентов, доступных растениям и вновь вовлекаются в поток вещества.

Кругооборот химических веществ из неорганической среды через растения и животные обратно в неорганическую среду с использованием солнечной энергии химической реакций называется биохимическим циклом .

Сложный механизм эволюции на Земле определяется химическим элементом «углерод». Углерод – составная часть скальных пород и в виде диоксида углерода содержится в части атмосферного воздуха. Источниками СО 2 являются вулканы, дыхание, лесные пожары, сжигание топлива, промышленность и др.

Атмосфера интенсивно обменивается углекислым газом с мировым океаном, где его в 60 раз больше, чем в атмосфере, т.к. СО 2 хорошо растворяется в воде (чем ниже температура – тем выше растворимость, т.е. его больше в низких широтах) . Океан действует как гигантский насос: поглощает СО 2 в холодных областях и частично «выдувает» в тропиках.

Избыточное количество оксида углерода в океане соединяется с водой, образуя угольную кислоту. Соединяясь с кальцием, калием, натрием, образует стабильные соединения в виде карбонатов, которые оседают на дно.

Фитопланктон в океане в процессе фотосинтеза поглощает углекислый газ. Умершие организмы попадают на дно и становятся частью осадочных пород. Это показывает взаимодействие большого и малого кругооборота веществ.

Углерод из молекулы СО 2 в ходе фотосинтеза включается в состав глюкозы, а затем в состав более сложных соединений, из которых построены растения. В дальнейшем они переносятся по пищевым цепям и образуют ткани всех остальных живых организмов в экосистеме и возвращаются в окружающую среду в составе СО 2 .

Также углерод присутствует в нефти и угле. Сжигая топливо, человек также завершает цикл углерода, содержащегося в топливе – так возникает биотехнический кругооборот углерода .

Оставшаяся масса углерода находится в карбонатных отложениях дна океана (1,3-10т), в кристаллических породах (1-10т), в угле и нефти (3,4-10т) . Этот углерод принимает участие в экологическом кругообороте. Жизнь на Земле и газовый баланс атмосферы поддерживается относительно небольшим количеством углерода (5-10т) .

Есть распространённое мнение, что глобальное потепление климата и его последствия угрожает нам из-за промышленного выделения тепла. То есть вся энергия, расходуемая в быту, промышленности и на транспорте, нагревает Землю и атмосферу. Однако, простейшие расчеты показывают, что обогрев Земли Солнцем на много порядков выше результатов человеческой деятельности.

Ученые же вероятной причиной глобального потепления считают рост концентрации углекислого газа в атмосфере Земли. Именно он служит причиной так называемого « парникового эффекта ».

Что же такое парниковый эффект ? С подобным явлением мы очень часто сталкиваемся. Общеизвестно, что при одинаковой дневной температуре ночная бывает различной, в зависимости от облачности. Облачность укрывает землю, словно одеялом, и пасмурная ночь бывает градусов на 5-10 теплее безоблачной при той же дневной температуре. Однако, если облака, представляющие собой мельчайшие капельки воды, не пропускают тепло как наружу, так и от Солнца к Земле, то углекислый газ работает как диод – к Земле тепло от Солнца поступает, обратно – нет.

Человечество тратит огромное количество природных ресурсов, сжигает все больше и больше ископаемого топлива, в результате чего в атмосфере растет процентное содержание углекислого газа, и он не выпускает в космос инфракрасное излучение от нагретой поверхности Земли, создавая «парниковый эффект». Последствием дальнейшего увеличение концентрации углекислоты в атмосфере может стать глобальное потепление климата и увеличению температуры Земли, что, в свою очередь, приведёт к таким последствиям, как таянию ледников и подъём уровня мирового океана на десятки, а то и сотни метров, уйдут под воду многие прибрежные города мира.

Таков возможный сценарий развития событий и последствия глобального потепления климата, причиной которого является парниковым эффектом. Однако, даже если растают все ледники Антарктиды и Гренландии, уровень мирового океана поднимется максимум на 60 метров. Но это крайний, гипотетический случай, который может произойти только при внезапном таянии ледников Антарктиды. А для этого в Антарктиде должна установиться положительная температура, что может явиться только последствием катастрофы планетарного масштаба (например, изменением наклона земной оси).

Среди сторонников «парниковой катастрофы» нет единодушия о ее вероятных масштабах, и наиболее авторитетные из них не обещают ничего страшного . Предельное потепление, в случае удвоения концентрации углекислого газа, может составить максимум 4°С . Кроме того, вполне вероятно, что при глобальном потеплении и повышении температуры уровень океана не изменится, а то и, напротив, понизится. Ведь с повышением температуры усилятся и осадки, а таяние окраин ледников может компенсироваться повышенным выпадением снега в центральных их частях.

Таким образом, проблема парникового эффекта и вызываемого им глобального потепления климата, а также их возможные последствия, хотя и существует объективно, но масштабы этих явлений на сегодняшний день явно преувеличены. В любом случае, они требует очень тщательного исследования и длительного наблюдения.

Анализу возможных климатических последствий парникового эффекта был посвящен международный конгресс климатологов, проходивший в октябре 1985г. в Филлахе (Австрия) . Участники конгресса пришли к выводу, что даже незначительное потепление климата приведет к заметному увеличению испарения с поверхности Мирового океана, в результате чего возрастет количество летних и зимних осадков над континентами. Это увеличение не будет равномерным. Рассчитано, что через юг Европы от Испании до Украины протянется полоса, в пределах которой количество осадков останется таким же, как сейчас, или даже несколько уменьшится. Севернее 50° (это широта Харькова) и в Европе, и в Америке оно будет с колебаниями постепенно увеличиваться, что мы и наблюдаем за последнее десятилетие . Следовательно, сток Волги будет возрастать, и Каспийскому морю не грозит снижение уровня. Это был главный научный аргумент, который позволил, наконец, отказаться от проекта переброски в Волгу части стока северных рек .

Наиболее точные, убедительные данные о возможных последствиях парникового эффекта дают палеогеографические реконструкции, составляемые специалистами, изучающими геологическую историю Земли за последний миллион лет . Ведь в течение этого «новейшего» времени геологической истории климат Земли подвергался очень резким глобальным изменениям. В эпохи, более холодные, чем теперешняя, материковые льды, подобные тем, что сковывают сейчас Антарктиду и Гренландию, покрывали всю Канаду и весь север Европы, включая места, на которых стоят сейчас Москва и Киев . Стада северных оленей и лохматых мамонтов бродили по тундрам Крыма и Северного Кавказа, там сейчас находят останки их скелетов. А в промежуточные межледниковые эпохи климат Земли был значительно теплее, чем нынешний: материковые льды в Северной Америке и Европе таяли, в Сибири вечная мерзлота оттаивала на много метров, морские льды у наших северных берегов исчезали, лесная растительность, судя по ископаемым спорово-пыльцевым спектрам, распространялась на территорию современных тундр . По равнинам Средней Азии текли мощные речные потоки, заполнявшие водою котловину Аральского моря до отметки плюс 72 метра, многие из них несли воду и в Каспийское море. Пустыня Каракумы в Туркмении представляет собою развеянные песчаные наносы этих древних русел.

В целом физико-географическая обстановка в теплые межледниковые эпохи на всей территории бывшего СССР была более благоприятной, чем сейчас. Такой же она была в скандинавских странах и странах Центральной Европы .

К сожалению, до сих пор к обсуждению проблемы парникового эффекта не привлекались геологи, изучающие геологическую историю последнего миллиона лет эволюции нашей планеты. А геологи могли бы внести ценные дополнения в существующие представления. В частности, очевидно, что для правильной оценки возможных последствий парникового эффекта должны шире привлекаться палеографические данные по прошлым эпохам значительного глобального потепления климата. Анализ таких данных, известных сегодня, позволяет думать, что парниковый эффект в противоположность распространенному мнению не несёт никаких бедствий для народов нашей планеты. Наоборот, во многих странах, в том числе на территории России, он создаст более благоприятные, чем сейчас, климатические условия.

Вопросы для самоконтроля

1. Суть основных биохимических кругооборотов веществ.

2. Каков биохимический цикл углерода?

3. Что понимают под выражением «парниковый эффект» и с чем его связывают? Ваша краткая оценка проблемы.

4. Как Вы думаете, существует ли угроза глобального потепления климата? Свой ответ обоснуйте

Автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Ленинградский государственный университет им. А. С. Пушкина

ДОКЛАД

по теме:

Взаимодействие литосферы, гидросферы и атмосферы.

филологический факультет, 1 курс

Руководитель : доктор биологических наук,

профессор Феодор Ефимович Ильин.

Санкт-Петербург-Пушкин

1. Введение.

2. Составляющие биосферы.

3. Взаимодействие атмосферы, литосферы и гидросферы.

4. Заключение.

5. Источники.

Введение.

Окружающая среда – необходимое условие жизни и деятельности общества. Она служит средой его обитания, важнейшим источником ресурсов, оказывает большое влияние на духовный мир людей.

Природное окружение всегда было источником существования человека. Однако взаимодействие человека и природы менялось в разные исторические эпохи, а процессы связывающие гидросферу, атмосферу и литосферу постоянны.

В. В. Докучаев, открывший закон географической зональности, отмечал, что в природе гармонично взаимодействуют друг с другом шесть природных компонентов: земная кора литосферы, воздух атмосферы, вода гидросферы, растительный и животный мир биосферы, а также почва постоянно обмениваются между собой веществом и энергией.

Три составные части биосферы -гидросфера, атмосфера и литосфера - тесно связаны друг с другом, составляя вместе единую функциональную систему.

Составляющие биосферы.

Биосфера (от греч. bios - жизнь; sphaire - шар) - оболочка Земли, состав, строение и энергетика которой определяются совокупной деятельностью живых организмов.

Биосфера охватывает верхнюю часть земной коры (почву, материнскую породу), совокупность водоемов (гидросферу), нижнюю часть атмосферы (тропосферу и частично стратосферу) (рис. 1). Границы сферы жизни определяются условиями, необходимыми для существования организмов. Верхний предел жизни ограничен интенсивной концентрацией ультрафиолетовых лучей, малым атмосферным давлением и низкой температурой. В зоне критических экологических условий на высоте 20 км обитают лишь низшие организмы - споры бактерий и грибов. Высокая температура недр земной коры (свыше 100 °С) ограничивает нижний предел жизни. Анаэробные микроорганизмы обнаруживают на глубине 3 км.

Биосфера включает в себя части гидросферы, атмосферы и литосферы.

Гидросфера - одна из оболочек Земли. Она объединяет все свободные воды (включает Мировой океан, воды суши (реки, озера, болота, ледники), подземные воды), которые могут передвигаться под влиянием солнечной энергии и сил гравитации, переходить из одного состояния в другое. Гидросфера тесно связана с другими оболочками Земли - атмосферой и литосферой.

В гидросфере сосредоточена почти вся масса водорода и кислорода, а также натрия, калия, магния, бора, серы, хлора и брома, соединения которых хорошо растворимы в природных водах; 88% всей массы углерода биосферы растворено в водах гидросферы. Наличие растворенных в воде веществ - одно из условий существования живого.

Площадь гидросферы составляет 70,8 % площади поверхности земного шара. Доля поверхностных вод в гидросфере весьма мала, но они обладают исключительной активностью (меняются в среднем каждые 11 дней), и это служит началом формирования почти всех источников пресных вод на суше. Количество пресной воды составляет 2,5 % от общего объема, при этом почти две трети этой воды заключено в ледниках Антарктиды, Гренландии, полярных островов, льдин и айсбергов, горных вершин. Подземные воды находятся на различной глубине (до 200 м и более); глубокозалегающие подземные водоносные горизонты минерализованы, а иногда и засолены. Кроме воды собственно в гидросфере, водяных паров в атмосфере, подземных вод в почвах и земной коре имеется биологическая вода в живых организмах. При общей массе живого вещества биосферы 1400 млрд. т масса биологической воды составляет 80 % или 1120 млрд. т.

Преобладающая часть гидросферных вод сосредоточена в Мировом океане, который является основным замыкающим звеном круговорота воды в природе. Он отдает большую часть испаряющейся влаги в атмосферу.

Литосфера Земли состоит из двух слоев: земной коры и части верхней мантии. Земная кора - это верхняя твёрдая оболочка Земли. Кора не является уникальным образованием, присущим только Земле, т.к. есть на большинстве планет земной группы, спутнике Земли - Луне и спутниках планет-гигантов: Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна. Однако только на Земле кора бывает двух типов: океанической и континентальной.

Океаническая земная кора состоит из трёх слоёв: верхнего осадочного, промежуточного базальтового и нижнего габбро-серпентинитового, который до последнего времени включался в состав базальтового. Толщина её составляет от 2 км в зонах срединно-океанических хребтов до 130 км в зонах субдукции, где океаническая кора погружается в мантию.

Осадочный слой состоит из песка, отложений остатков животных и осаждённых минералов. В его основании часто залегают тонкие не выдержанные по простиранию металлоносные осадки с преобладанием оксидов железа.

Базальтовый слой в верхней части сложен базальтовыми лавами толеитового состава, которые называют ещё подушечными из-за характерной формы. Он обнажается во многих местах примыкающих к срединно-океаническим хребтам.

Габбро-серпентинитовый слой лежит непосредственно над верхней мантии.

Континентальная земная кора , как видно из названия, лежит под континентами Земли и крупными островами. Как и океаническая континентальная земная кора состоит из трёх слоёв: верхнего осадочного, среднего гранитного и нижнего базальтового. Толщина подобного типа земной коры под молодыми горами достигает 75 км, под равнинами составляет от 35 до 45 км, под островными дугами сокращается до 20-25 км.

Осадочный слой континентальной земной коры формируется: глинистыми отложениями и карбонатами мелководных морских бассейнов.

Гранитный слой земной коры формируется в результате вторжения магмы в трещины земной коры. Состоит из кремнезёма, алюминия и других минералов. На глубинах 15-20 км, часто прослеживается граница Конрада, которая разделяет гранитный и базальтовый слои.

Базальтовый слой формируется при излиянии основных (базальтовых) лав на поверхность суши в зонах внутриплитного магматизма. Базальт тяжелее гранита, содержит больше железа, магния и кальция.

Общая масса земной коры оценивается в 2,8×1019 тонн, что составляет лишь 0,473% от массы всей планеты Земля.

Слой лежащий под земной корой называется мантией. Снизу земная кора отделена от верхней мантии границей Мохоровичича или Мохо, установленной в 1909 году хорватским геофизиком и сейсмологом Андреем Мохоровичичем.

Мантия делится слоем Голицына на верхнюю и нижнюю, граница между которыми проходит на глубине около 670 км. В пределах верхней мантии выделяется астеносфера - пластинчатый слой, в пределах которого скорости сейсмических волн понижаются.

Литосфера Земли делится на платформы. Платформы - это относительно устойчивые участки земной коры. Возникают они на месте существовавших ранее складчатых сооружений высокой подвижности, образующихся при замыкании геосинклинальных систем, путём последовательного их превращения в тектонически стабильные участки.

Литосферные платформы испытывают вертикальные колебательные движения: поднимаются или опускаются. С подобными движениями связывают неоднократно происходившие в течении всей геологической истории Земли трансгрессии и регрессии моря.

В Центральной Азии с новейшими тектоническими движениями платформ связывают образование горных поясов Центральной Азии: Тянь-Шаня, Алтая, Саян и т.д. Подобные горы называют возрожденными (эпиплатформы или эпиплатформенные орогенные пояса или вторичные орогены). Они формируются в эпохи оррогенеза в районах примыкающих к геосинклинальным поясам.

Атмосфера - газовая оболочка, окружающая планету Земля, одна из геосфер. Внутренняя её поверхность покрывает гидросферу и частично земную кору, внешняя граничит с околоземной частью космического пространства. Атмосферой принято считать ту область вокруг Земли, в которой газовая среда вращается вместе с Землёй как единое целое; при таком определении атмосфера переходит в межпланетное пространство постепенно, в экзосфере, начинающейся на высоте около 1000 км от поверхности Земли, граница атмосферы также может условно проводиться по высоте в 1300 км.

Атмосфера Земли возникла в результате двух процессов: испарения вещества космических тел при их падении на Землю и выделения газов при вулканических извержениях(дегазация земной мантии). С выделением океанов и появлением биосферы атмосфера изменялась за счёт газообмена с водой, растениями, животными и продуктами их разложения в почвах и болотах.

В настоящее время атмосфера Земли состоит в основном из газов и различных примесей (пыль, капли воды, кристаллы льда, морские соли, продукты горения). Концентрация газов, составляющих атмосферу, практически постоянна, за исключением воды (H2O) и углекислого газа (CO2).

Слои атмосферы:1 Тропосфера, 2 Тропопауза, 3 Стратосфера, 4 Стратопауза, 5 Мезосфера, 6 Мезопауза, 7 Термосфера, 8 Термопауза

Озо́новый слой - часть стратосферы на высоте от 12 до 50 км (в тропических широтах 25-30 км, в умеренных 20-25, в полярных 15-20), с наибольшим содержанием озона, образовавшимся в результате воздействия ультрафиолетового излучения Солнца на молекулярный кислород (О2). При этом с наибольшей интенсивностью, именно благодаря процессам диссоциации кислорода атомы которого затем образуют озон (О3), происходит поглощение ближней (к видимому свету) части ультрафиолета солнечного спектра. Кроме того, диссоциация озона под воздействием ультрафиолетового излучения приводит к поглощению наиболее жесткой его части.