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.
Атмосфера: Наличие вокруг земного то шара атмосферы определяет общий тепловой режим поверхности нашей планеты, защищает ее от вредных космического и ультрафиолетового излучений. Циркуляция атмосферы оказывает влияние на местные климатические условия, а через них - на режим рек, почвенно-растительный покров и на процессы рельефообразования.
Современный газовый состав атмосферы - результат длительного исторического развития земного шара. Он представляет собой в основном газовую смесь двух компонентов - азота (78,09 %) и кислорода (20,95 %). В норме в нем присутствуют также аргон (0,93 %), углекислый газ (0,03 %) и незначительные количества инертных газов (неон, гелий, криптон, ксенон), аммиака, метана, озона, диоксидов серы и других газов. Наряду с газами в атмосфере содержатся твердые частицы, поступающие с поверхности Земли (например, продукты горения, вулканической деятельности, частицы почвы) и из космоса (космическая пыль), а также различные продукты растительного, животного или микробного происхождения. Кроме того, важную роль в атмосфере играет водяной пар.
Наибольшее значение для различных экосистем имеют три газа, входящих в состав атмосферы: кислород, углекислый газ и азот. Эти газы участвуют в основных биогеохимических циклах.
Современная.атмосфера содержит едва ли двадцатую часть кислорода, имеющегося на нашей планете. Главные.запасы кислорода сосредоточены в карбонатах, в органических веществах и окислах железа, часть кислорода растворена в воде.
Гидросфера: совокрупность всех водных запасов Земли. Она образует ее прерывистую водную оболочку. Средняя глубина океана составляет 3800 м, максимальная (Марианская впадина Тихого океана) - 11,034 метров. Около 97 % массы гидросферы составляют соленые океанические воды, 2,2 % - воды ледников, остальная часть приходится на подземные, озерные и речные пресные воды. Область биосферы в гидросфере представлена во всей ее толще, однако наибольшая плотность живого вещества приходится на поверхностные прогреваемые и освещаемые лучами солнца слои, а также прибрежные зоны.
В общем виде принято деление гидросферы на Мировой океан, континентальные воды и подземные воды. Большая часть воды сосредоточена в океане, значительно меньше - в континентальной речной сети и подземных водах. Также большие запасы воды имеются в атмосфере, в виде облаков и водяного пара. Свыше 96 % объёма гидросферы составляют моря и океаны, около 2 % - подземные воды, около 2 % - льды и снега, около 0,02 % - поверхностные воды суши. Часть воды находится в твёрдом состоянии в виде ледников, снежного покрова и в вечной мерзлоте, представляя собой криосферу.
Поверхностные воды, занимая сравнительно малую долю в общей массе гидросферы, тем не менее играют важнейшую роль в жизни наземной биосферы, являясь основным источником водоснабжения, орошения и обводнения. Сверх того эта часть гидросферы находится в постоянном взаимодействии с атмосферой и земной корой.
Литосфера: твёрдая оболочка Земли. Состоит из земной коры и верхней части мантии, до астеносферы, где скорости сейсмических волн понижаются, свидетельствуя об изменении пластичности пород. В строении литосферы выделяют подвижные области (складчатые пояса) и относительно стабильные платформы.
Блоки литосферы - литосферные плиты - двигаются по относительно пластичной астеносфере. Изучению и описанию этих движений посвящен раздел геологии о тектонике плит.
Литосфера под океанами и континентами значительно различается. Литосфера под континентами состоит из осадочного, гранитного и базальтового слоев общей мощностью до 80 км. Литосфера под океанами претерпела множество этапов частичного плавления в результате образования океанической коры.
33. Классификация главных антропогенных загрязнителей (поллютантов) атмосферного воздуха.
Все источники загрязнения подразделяются на точечные, линейные и площадные. В свою очередь точечные источники могут быть подвижными и стационарными (неподвижными). К точечным стационарным источникам загрязнения относятся дымовые трубы теплоэлектростанций, отопительных котельных, технологических установок, печей и сушилок, вытяжные шахты, дефлекторы, вентиляционные трубы и т. п.
Подвижными источниками загрязнения являются выхлопные трубы тепловозов, теплоходов, самолетов, автотранспорта и других движущихся устройств.
Линейные источники загрязнения воздушного бассейна представляют собой дороги и улицы, по которым систематически движется транспорт.
К площадным источникам относятся вентиляционные фонари, окна, двери, неплотности оборудования, зданий и т. д., через которые примеси могут поступать в атмосферу.
Загрязнителями атмосферного воздуха называют поллютантами . По агрегатному состоянию выбросы вредных веществ в атмосферу могут быть газообразными, жидкими и твердыми.
34. Основные источники загрязнения атмосферы:
Основной вклад в загрязнение атмосферы вносят:
1) Тепловые и атомные электростанции;
2) Предприятия черной металлургии;
3) Химическое производство;
4) Транспорт.
Интенсивно загрязняется при переработке сырья, при сжигании мусора, в с\х районных – животноводческие и птицеводческие фермы.
Экологические проблемы атмосферы и их краткое описание
Основные экологические проблемы атмосферы, связанные с её загрязнением:
1)смог – ядовитая смесь.
А) Лондонский смог (зимний, влажный)
Высокая концентрация промышл примесей в атм воздухе
Отсутствие ветра
Инверсия температуры
Последствия:
Поражение слизистой легких и ЖКТ
Развитие хронических заболеваний легких
Серд сосудистые заболевания, снижение иммунитета
Б) Лос-анжелесский смог (сухой, фотохимический)
Высокая концентрация выхлопных газов в атмосфере
Высокая степень солнечной радиации, из-за чего происх фотохимическая реакция (возникают офтооксиданты)
Последствия:
Поражение слизистой оболочки легких и ЖКТ
Повреждение органов зрения
2) парниковый эффект – повышение среднегодовой температуры на планете в результате накопления в атмосфере парниковых газов (углекислый, метан, фреоны -6%), которые препятствуют длинноволновому тепловому излучению с поверхности планеты. (теплообмен нарушен).
3) озоновые «дыры» - это огромные пространства (на высоте 20-25 км в стратосфере) с пониженным содержанием озона на 50% и более.
Природные факторы
1)изменение циклической активности солнца
2)дегазация – выход глубинных газов через естественные разломы
3)наличие слоеобразных восходящих вихревых воздушных потоков над Антарктидой
Антропогенные факторы
1) использование фреонов
2)запуск шаттлов
3)полеты сверхзвуковых самолетов при высоте более 12 км
Последствия:
Солнечные ожоги, рак, заболевание органов зрения, снижение иммунитета
Снижение способности к фотосинтезу и растений
4) кислотные дожди – образуются в результате промышленных выбросов в атмосферу двуокиси серы и окислов азота, кот соединяясь с атмосферной влагой образуют разбавленную серную и азотную кислоты.
Последствия:
Кислотные дожди способствуют вымыванию питательных веществ из почвы, приводят к освобождению тяжелых металлов из соединений, что снижает плодородность почв и накапливанию тяжелых металлов в пищевой цепи.
Особенности и причины зимнего и летнего смога
Туманная завеса над промышленными предприятиями и городами, образованная из газообразных отходов, в первую очередь диоксида серы. Различают зимний Смог (лондонский тип) и летний Смог (лосанджелесский тип). Предпосылками для формирования зимнего Смога является безветренная тихая погода, способствующая накоплению выхлопных газов транспорта и выбросов из невысоких труб. Летний Смог (его называют также фотохимическим) вызывается оксидами азота и углеводородами, из которых при интенсивном солнечном свете образуются фотооксиданты, преимущественно озон.
Состав атмосферы
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 (H 2 O) и углекислого газа (CO 2)
Азот 75.5% Кислород 23.10 % аргон 1.2 % остальные газы (неон, гелий, метан, водород, и.т.д.)
Озо́новая дыра́ - локальное падение концентрации озона в озоновом слое Земли. По общепринятой в научной среде теории, во второй половине XX века всё возрастающее воздействие антропогенного фактора в виде выделения хлор- и бромсодержащих фреонов привело к значительному утончению озонового слоя
Есть мнение, что природные источники галогенов, например вулканы или океаны, более значимы для процесса разрушения озона, чем произведённые человеком. Не подвергая сомнению вклад природных источников в общий баланс галогенов, необходимо отметить, что в основном они не достигают стратосферы ввиду того, что являются водорастворимыми (в основном хлорид-ионы и хлороводород) и вымываются из атмосферы, выпадая в виде дождей на землю.
Последствия
Ослабление озонового слоя усиливает поток солнечной радиации на землю и вызывает у людей рост числа раковых образований кожи. Также от повышенного уровня излучения страдают растения и животные.
Парнико́вый эффе́кт - повышение температуры нижних слоёв атмосферы планеты по сравнению с эффективной температурой, то есть температурой теплового излучения планеты, наблюдаемого из космоса.
Последствия парникового эффекта 1. Если температура на Земле будет продолжать повышаться, это окажетсерьезнейшее воздействие на мировой климат.2. В тропиках будет выпадать больше осадков, так как дополнительное теплоповысит содержание водяного пара в воздухе.3. В засушливых районах дожди станут еще более редкими и они превратятся впустыни в результате чего людям и животным придется их покинуть.4. Температура морей также повысится, что приведет к затоплению низинныхобластей побережья и к увеличению числа сильных штормов.5. Повышение температуры на Земле может вызвать поднятие уровня моря6. Сократятся жилые земли.7. Нарушится водосолевой баланс океанов.8. Изменятся траектории движения циклонов и антициклонов.Основные среды биосферы: атмосфера, гидросфера, литосфера (почва)
Биосфера - система с прямыми и обратными (отрицательными и положительными) связями, которые, в конечном счете, обеспечивают механизмы ее функционирования и устойчивости. Биосфера - централизованная система. Центральным звеном ее выступают живые организмы (живое вещество). Это свойство всесторонне раскрыто В.И. Вернадским, но, к сожалению, часто недооценивается человеком и в настоящее время: в центр биосферы или ее звеньев ставится только один вид - человек (антропоцентризм).
Атмосфер а - газовая оболочка Земли, Это естественная смесь газов, сложившаяся в ходе эволюции планеты. В настоящее время атмосфера содержит 78,08% азота (N 2), 20,9% кислорода (0 2), около 1% аргона (Аг) и 0,03% углекислого газа (СО 2).
Атмосфера Земли уникальна. Кислород, содержащийся в воздухе, жизненно необходим для дыхания растений и животных. В настоящее время пока наблюдается примерное сохранение равновесия между производством кислорода и его потреблением. Однако интенсивное потребление 0 2 промышленностью и транспортом в последнее время вызывает опасение нарушить баланс кислорода в окружающей среде.
Углекислый газ оказывает существенное влияние на температуру планеты. Обладая большей плотностью, чем кислород или азот, этот газ плотно покрывает водный и почвенный покров Земли. Сам по себе С0 2 является опасным компонентом атмосферы для всего живого, Повышение содержания СО 2 в приземном слое атмосферы может привести к массовому уничтожению живого в почвенном покрове и ухудшению его плодородия.
В отличие от кислорода, который поставляется в атмосферу зелеными растениями, углекислый газ улавливается этими же растениями и связывается в органические соединения, В процессе дыхания углерод органических соединений превращается в диоксид углерода.
Азот, входящий в состав атмосферного воздуха в наибольших количествах, является химически инертным газом (в переводе с греческого - "безжизненный"). В воздухе он находится в молекулярном состоянии в бездействии. Азот практически не участвует в геохимических процессах и лишь накапливается в атмосфере. В тоже время N 2 является важнейшим строительным материалом для белков, нуклеиновых кислот и других соединений. Элементом жизни он становится только в химических соединениях - легкорастворимых азотнокислых и аммиачных солях. Однако связанного азота в воздухе нет 7 и в обычных условиях большинство организмов не в состоянии извлечь его из атмосферы.
Атмосфера не только поддерживает жизнь, но и служит защитным экраном. На высоте 20-25 км от поверхности Земли под воздействием ультрафиолетовой радиации Солнца часть молекул кислорода расщепляется на свободные атомы. Последние могут вновь вступать в соединения с молекулами О 2 и образовывать трехатомную его форму 0 3 - озон.
Озон играет исключительную роль в жизни планеты. Он образует в высших слоях атмосферы тонкий слой - так называемый озоновый экран, который отфильтровывает вредный компонент солнечного излучения - ультрафиолетовые лучи. Прямое влияние этих лучей губительно для всего живого, Не будь озонового слоя, это излучение уничтожило бы жизнь на Земле.
Газовая оболочка предохраняет Землю от метеоритной бомбардировки. Большинство метеоритов никогда не достигают земной поверхности, так как сгорают при вхождении в атмосферу с огромной скоростью.
Кроме того, атмосфера способствует сохранению тепла на планете, которое в противном случае рассеивалось бы в холоде космического пространства. Солнечная энергия, проникающая в форме коротких электромагнитных волн через атмосферу к земной поверхности, в значительной мере отражается от нее в виде более длинных волн, которые частично задерживаются и экранируются нижними слоями атмосферы обратно на поверхность Земли. Так наша планета использует солнечное тепло дважды. Без этого эффекта жизнь на Земле была бы невозможна, так как первичные лучи Солнца разогревают ее поверхность лишь до -18 °С. Отраженные же тропосферой потоки тепловой энергии повышают эту среднюю температуру до +15 °С. При данной температуре поверхность планеты и атмосфера находятся в тепловом равновесии. Нагреваясь энергией Солнца и инфракрасным излучением атмосферы, поверхность Земли возвращает в атмосферу в среднем эквивалентное количество энергии.
Нагревание атмосферы происходит благодаря наличию в ней так называемых парниковых газов; углекислого газа, метана, оксидов азота и паров воды, которые способны, с одной стороны, поглощать (улавливать) инфракрасное излучение Земли, а с другой, - отражать часть его обратно на Землю. Без "газового одеяла", окутывающего планету, температура на ее поверхности была бы ниже на 30-40°С, а существование живых организмов в таких условиях весьма проблематично,
Гидросфера - одна из важнейших составляющих нашей планеты, объединяющая все свободные воды. Она занимает около 70% поверхности земного шара. Общие запасы воды в свободном состоянии составляют 1386 млн. км 3 . Если бы этой водой равномерно покрыть земной шар, то ее слой составил бы 3700 м. В то же время 97-98% воды - это соленые воды морей и океанов. И лишь 2-3% - пресная вода, необходимая для жизни. 75% пресной воды на Земле находится в виде льда, значительную часть ее составляют подземные воды, и лишь 1% доступен для живых организмов.
Вода входит в состав всех элементов биосферы. Это составная часть не только водоемов, но и воздуха, почвы, живых существ.
Вода - это источник жизни, без нее невозможно существование ни животных, ни растений, ни человека. Она входит в состав клеток и тканей любого животного и растения. Сложнейшие реакции в животных и растительных организмах могут протекать только при наличии воды. Тело человека на 65% состоит из воды. Тела животных содержат, как правило, не менее 50% воды. Растения также содержат много воды: картофель - 80%, помидор - 95% и т.д.
Под влиянием солнечной энергии и сил гравитации воды Земли могут переходить из одного состояния в другое и находятся в непрерывном движении. Круговорот воды увязывает воедино все части биосферы, образуя в целом замкнутую систему; океан - атмосфера - суша.
Гидросфера играет решающую роль в формировании особых черт планеты. Она имеет большое значение в процессах обмена кислородом и углекислым газом с атмосферой, способствует поддержанию относительно неизменного климата, что позволило жизни воспроизводиться в течение более 3 млрд. лет. Климат на Земле во многом зависит от водных пространств и содержания водяного пара в атмосфере. Океаны и моря оказывают смягчающее, регулирующее воздействие на температуру воздуха, накапливая тепло летом и отдавая его атмосфере зимой. В океане происходит циркуляция и перемешивание теплых и холодных вод.
В гидросфере протекает основное количество химических реакций, обусловливающих производство биомассы и химическую очистку биосферы. Факторы самоочищения водоемов многочисленны и многообразны. Условно их можно разделить на три группы: физические, химические и биологические.
Среди физических факторов первостепенное значение имеют разбавление, растворение и перемешивание веществ. Этому способствует интенсивное течение рек. Кроме того, на процесс очистки влияют оседание в воде нерастворимых осадков, а также отстаивание загрязненных вод. Важным физическим фактором самоочищения является ультрафиолетовое излучение Солнца. Под его влиянием гибнут бактерии, вирусы, микробы.
Из химических факторов самоочищения следует отметить окисление органических и неорганических веществ кислородом, растворенным в воде.
Активную роль в самоочищении гидросферы играет совокупная деятельность всех населяющих водоемы организмов. В процессах жизнедеятельности они окисляют (разлагают) органические загрязнители.
Кроме всего указанного выше, гидросфера является важным источником продовольствия для людей и других обитателей суши, источником получения ценного сырья и топлива. Океаны, моря, реки и другие водоемы представляют собой природные пути сообщения и имеют рекреационное значение.
Литосфера (почва). Почва - поверхностный слой земной коры, созданный под совокупным влиянием внешних условий: тепла, воды, воздуха, растительных и животных организмов, особенно микроорганизмов. Это - результат терпеливого многовекового труда природы. Земля накапливала его многие тысячелетия с очень медленной скоростью: 1см чернозема за 100-300 лет.
Почва обладает специфическими физическими свойствами: рыхлостью, водопроницаемостью, аэрируемостью и пр. В верхних слоях почвы концентрируются вещества, необходимые для питания растений - азот, фосфор, калий, кальций и другие. Она является средой обитания многих микроорганизмов и роющих животных. Здесь происходит жизненно необходимый обмен минеральными веществами между биосферой и неорганическим миром: растения получают воду и питательные вещества, а листья и ветки, отмирая, возвращаются в почву, где разлагаются, высвобождая содержащиеся в них минеральные вещества. Таким образом, роль почвы многообразна: с одной стороны, это важный участок всех природных круговоротов, с другой - основа для производства биомассы.
Почва - главный фундамент жизни, уникальное и в тоже время легкоуязвимое природное образование.
ОКРУЖАЮЩАЯ СРЕДА КАК СИСТЕМА
Окружающая среда как система - 4 ч.
ЛЕКЦИЯ № 5-6 (4 ч.).
ТЕХНОГЕННЫЕ СИСТЕМЫ И ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ РИСК
Системный подход в изучении экологических систем. Атмосфера, гидросфера, литосфера - основные компоненты окружающей среды. Законы функционирования биосферы.
Защитные механизмы природной среды и факторы, обеспечивающие ее устойчивость. Динамическое равновесие в окружающей среде. Гидрологический цикл. Круговорот энергии и вещества в биосфере. Фотосинтез.
Условия и факторы, обеспечивающие безопасную жизнедеятельность в окружающей среде. Естественные "питательные" циклы, механизмы саморегуляции, самоочищение биосферы. Возобновляемые и невозобновляемые природные ресурсы.
Совокупность всех биогеоценозов (экосистем) нашей планеты создаёт гигантскую глобальную экосистему, называемую биосферой (от греч. биос - жизнь, сфера - шар) - область системного взаимодействия живого и костного вещества планеты. Биосфера – это всё пространство, где существует или когда-либо существовала жизнь, т.е. где встречаются живые организмы или продукты их жизнедеятельности. Та часть биосферы, где живые организмы встречаются в настоящее время, называют современной биосферой, или необиосферой, а древние биосферы относят к былым биосферам, иначе палеобиосферам или мегасферам. Примерами последних являются безжизненные скопления органических веществ (залежи угля, нефти, газа и др.) или запасы иных соединений, образовавшихся при непосредственном участии живых организмов (известняки, ракушечники, образования мела, ряда руд и многое др.).
Биосфера включает в себя: аэробиосферу (нижнюю часть атмосферы), гидробиосферу (всю гидросферу), литобиосферу (верхние горизонты литосферы – твёрдой земной оболочки). Границы нео- и палеобиосферы различны. Теоретически верхняя граница у них определяется озоновым слоем. Для необиосферы это нижняя граница озонового слоя (около 20 км), ослабляющего до приемлемого уровня губительное космическое ультрафиолетовое излучение, а для палеобиосферы - это верхняя граница того же слоя (около 60 км), ибо кислород в атмосфере Земли есть результат преимущественно жизнедеятельности растительности (так же, как и другие газы в соответствующей мере).
Биосфера - это часть оболочек земного шара, населённая живыми организмами, т.е.часть атмосферы, гидросферы и литосферы.
16) Характеристика химического состава атмосферы как геосферы и части биосферы
Атмосфера Земли - это газовая оболочка, окружающая Землю. Атмосферой называют ту область вокруг Земли, в которой газовая среда вращается вместе с ней как единое целое. Масса атмосферы составляет 5.15 - 5.9х10 15 тонн. Атмосфера как компонент биогеоценоза представляет собой слой воздуха в почве и над ее поверхностью, в пределах которого наблюдается взаимодействие компонентов биосферы.
Современная атмосфера имеет вторичное происхождение и образовалась из газов, выделенных твердой оболочкой Земли после формирования планеты. В течение геологической истории Земли атмосфера претерпела значительную эволюцию под влиянием ряда факторов: улетучивания атмосферных газов в космическое пространство;
выделения газов в результате вулканической деятельности, расщепления молекул под влиянием солнечного ультрафиолетового излучения, химических реакций между компонентами атмосферы и породами земной коры; захвата межпланетной среды.
Развитие атмосферы тесно связано с геологическими и геохимическими процессами, а также с деятельностью живых организмов. Атмосфера защищает поверхность Земли от разрушительного действия падающих метеоритов, большая часть из которых сгорает в плотных слоях атмосферы.
По своему строению атмосфера имеет сложную структуру, которая определяется особенностями вертикального распределения температуры. На высотах более 1000 км находится экзосфера, откуда атмосферные газы рассеиваются в мировое пространство. Здесь происходит постепенный переход от атмосферы к межпланетному пространству. Все структурные параметры атмосферы - температуры, давление и плотность – обладают значительной пространственно-временной изменчивостью.
Сложная структура атмосферы проявляется и в ее химическом составе. Так, если на высотах до 90 км, где существует интенсивное перемешивание, относительный газовый состав остается практически неизменньм, то выше 90 км под влиянием ультрафиолетового излучения солнца происходит диссоциация молекул газов и сильное изменение состава атмосферы с высотой. Типичные черты этой части атмосферы – слой озона и собственное свечение. Сложная слоистая структура характерна для атмосферного аэрозоля - взвешенных в газовой среде жидких или твердых частиц земного или космического происхождения. Аэрозоль с жидкими частицами - туман, с твердыми частицами - дым. Диаметр твердых частиц аэрозоля в среднем 10 -9 - 10 -13 мм, капель 10-6 - 10 -2 мм. Слоистым является и вертикальное распределение электронов и ионов в атмосфере, что выражается в существовании различных слоев ионосферы.
Состав атмосферы Земли уникален. Например, если атмосферы Юпитера и Сатурна состоят главным образом из водорода и гелия. Марса и Венеры - из углекислого газа, то атмосфера Земли состоит преимущественно из кислорода и азота. В ней содержатся также аргон, углекислый газ, неон и другие постоянные и переменные компоненты. Объемная концентрация азота составляет 78.084%, кислорода - 20.9476%, аргона - 0.934%, углекислого газа - 0.0314. Эти данные относятся только к нижним слоям атмосферы.
Наиболее важная переменная составляющая часть атмосферы - водяной пар. Пространственно-временная изменчивость его концентрации колеблется в широких пределах у земной поверхности - от 3% в тропиках до 0.00002% в Антарктиде. Основная масса водяного пара сосредоточена в тропосфере, и его концентрация быстро убывает с высотой. Среднее содержание водяного пара в вертикальном столбе атмосферы в умеренных широтах составляет около 15-17 мм "слоя осажденной воды".
Существенное влияние на атмосферные процессы, особенно тепловой режим, оказывает озон. Он, в основном, сосредоточен в стратосфере, где вызывает поглощение ультрафиолетовой солнечной радиации. Средние месячные значения общего содержания озона изменяются в зависимости от широты и времени года и составляют толщину слоя в пределах 2.3-5.2 мм при наземных значениях давления и температуры. Наблюдается увеличение содержания озона от экватора к полюсам и годовые изменения с минимумом осенью и максимумом весной. В настоящее время отмечено разрушение озонового слоя под влиянием хозяйственной деятельности. Главными разрушителями озонового слоя являются фреоны (хладоны), представляющие собой группу галогеносодержащих веществ, фреоны инертны у поверхности Земли, но, поднимаясь в стратосферу, они подвергаются фотохимическому разложению, выделяют ион хлора, служащий катализатором химических реакций, разрушающих молекулы озона.
Внешняя, верхняя граница атмосферы, постепенно переходит в межпланетный газ, плотность которого составляет 1000 пар ионов в кубическом сантиметре.
17) Характеристика химического состава гидросферыкак геосферы и части биосферы
Гидросфера - водная оболочка Земли. Вследствие высокой подвижности воды проникают повсеместно в различные природные образования. Вода находится в виде паров и облаков в земной атмосфере, формирует океаны и моря, существует в виде ледников в высокогорных районах континентов. Атмосферные осадки проникают в толщи осадочных пород, образуя подземные воды. Вода способна растворять многие вещества, поэтому любые воды гидросферы можно рассматривать в качестве естественных растворов различной степени концентрации. Даже наиболее чистые атмосферные воды содержат 10-50 мг/л растворенных веществ.
Вода как окись водорода Н2О является простейшим устойчивым в обычных условиях соединением водорода с кислородом. Общее количество воды на планете составляет приблизительно 1.5-2.5х10 24 граммов (от 1-5 до 2.5 млрд км 3).
По выражению В.И. Вернадского, вода стоит особняком в истории нашей планеты, но воде принадлежит важнейшая роль в геологической истории Земли. Вода является одним из факторов формирования физической и химической среды, климата и погоды на нашей планете, возникновения жизни на Земле.
Наша планета на 3/4 покрыта водой, льдами; над ней плывут облака в виде скопления парообразной воды. Вода наполняет клетки растений, животных; клетки тела человека в среднем на 70% состоят из воды.
Воды в природных условиях всегда содержат растворенные соли, газы, органические вещества. Их концентрация меняется в зависимости от происхождения воды и окружающих условий- При концентрации солей до 1 г/кг вода считается пресной, до 25 г/кг - солоноватой и более 25 г/кг - соленой.
Наименее минерализованными считаются атмосферные осадки, в которых, в среднем, концентрация солей составляет 10-20 мг/кг, затем пресные озера и реки (5- 1000 мг/кг). Соленость океана составляет около 35 г/кг. Моря имеют меньшую минерализацию - от 8 до 22 г/кг. Минерализация подземных вод вблизи поверхности в условиях избыточного увлажнения составляет до 1 г/кг, а в засушливых условиях до 100 г/кг.
В пресных водах обычно преобладают ионы НСО3 - (-), Са 2+ , Мg 2+ . По мере увеличения общей минерализации растет концентрация ионов SO4 - , Сl - , Nа + , К + . В высокоминерализованных водах преобладают ионы хлора и натрия, реже - магния и очень редко - кальция. Прочие элементы содержатся в очень малых количествах, но почти все естественные элементы периодической системы найдены в природных водах.
Из растворенных газов в воде присутствуют азот, кислород, двуокись углерода, благородные газы, редко - сероводород и углеводороды.
Концентрация органических веществ невелика. Она составляет: в реках - около 20 мг/л, в подземных водах еще меньше и в океанах - около 4 мг/л. Исключение составляют болотные воды и воды нефтяных месторождений, а также воды. Загрязненные промышленными и бытовыми стоками, где концентрация органических веществ может быть велика.
Первоисточниками солей природных вод являются вещества, которые образуются при химическом выветривании изверженных пород, а также вещества, которые выделялись из недр Земли на протяжении ее истории. От разнообразия состава этих веществ и условий, в которых происходило их взаимодействие с водой, зависит состав воды. Огромное значение для формирования состава воды имеет и воздействие на нее живых организмов, а также хозяйственная деятельность человека.
Огромна роль Мирового океана в стабилизации природных условий на поверхности Земли. Это обусловлено в значительной степени его массой и занимаемой площадью.
Около 52.6% акватории океана имеет глубину от 4000 до 6000 м. Участки с глубинами более 6000 м занимают около 1.2%, мелководные участки - до 200 м – также занимают небольшую площадь - 7,5%. Остальная часть акватории, около 38.7%, имеет глубину от 200 до 4000 м. Большая часть Мирового океана расположена в южном полушарии, где он занимает 81% площади поверхности, в северном полушарии - 61% поверхности.
В целом гидросферу отождествляют с океанами и морями, так как их масса составляет 91.3% всей гидросферы.
Вода является самым мощным поглотителем солнечной энергии тепла на поверхности Земли, Решающая роль в поглощении солнечной энергии на нашей планете принадлежит Мировому океану, способность которого поглощать солнечную энергию в 2-3 раза больше, чем у поверхности суши. От поверхности океана отражается только 8% солнечной радиации. Океан является поглотителем тепла на планете. Нагревание его происходит в экваториальном поясе примерно в полосе от 15 градусов Южной широты до 30 градусов Северной широты. В более высоких широтах обоих полушарий океан отдает тепло, полученное в поясе нагревания.
Воды Мирового Оксана все время находятся в активном движении. Этому способствуют атмосферная циркуляция, неравномерный нагрев поверхности, контрасты солености, температурные контрасты, силы притяжения Луны и Солнца.
Однако благодаря своему разнообразию гидросфера является чрезвычайно устойчивой к внешним и внутренним воздействиям. Значительное разнообразие создается одновременным существованием воды в трех фазах, резко различающихся своими составляющими, большим набором растворенных в ней веществ и газов, формированием разнообразных статических и динамических структур. Гидросфера Земли как компонент биосферы представляет собой глобальную термодинамические открытую систему, устойчивую и поддерживающую устойчивость биосферы в целом.
18) Характеристика химического состава литосферы как геосферы и части биосферы
Земная кора - наиболее неоднородная оболочка Земли, образованная различными минеральными ассоциациями в виде осадочных, изверженных и метаморфических горных пород, различных форм залегания.
В настоящее время под земной корой понимают верхний слой твердого тела планеты, расположенный выше сейсмической границы. Эта граница находится на разных глубинах, где отмечается резкий скачок скорости сейсмических волн, возникающих при землетрясении. Выделяют два типа земной коры - континентальный и океанический. Континентальный отличается более глубоким залеганием сейсмической границы. В настоящее время чаще используется термин литосфера, предложенный еще Э. Зюссом, под которым понимают более обширную, чем земная кора, область.
Литосфера - это верхняя твердая оболочка Земли, имеющая большую прочность и переходящая в менее прочную астеносферу. Литосфера включает земную кору и верхнюю мантию до глубины примерно 200 км.
Строение земной коры имеет неровный характер. Горные системы чередуются с равнинами на материках. Материки, в свою очередь, представляют собой приподнятые над уровнем моря участки земной коры. Пространственное расположение материков на планете В.И. Вернадский назвал "диссиметрией планеты". Если разделить земной шар по тихоокеанскому побережью на две половины, то получится как бы два полушария: континентальное, где сосредоточены все материки с Атлантическим и Индийским океанами, и океаническое, которое займет площадь всего Тихого океана. Это связано со строением и составом земной коры в пределах континентального и океанического полушарий. Разная толщина земной коры в области континентов и океанов связана с различием состава слагающих ее горных пород. Океаническая кора сложена в основном базальтовым материалом, континентальная - материалом, близким по составу к граниту. Гранитные породы содержат больше кремневой кислоты и меньше железа, чем базальтовые.
Общий химический состав земной коры определяют немногие химические элементы. Всего лишь восемь элементов: кислород, кремний, алюминий, железо, кальций, натрий, магний, калий распространены в земной коре в весовом количестве более 1%. Ведущим, наиболее распространенным элементом земной коры, является кислород, составляющий едва ли не половину массы (47.3%) и 92% ее объема. Таким образом, в количественном отношении земная кора - это царство кислорода, химически связанного с другими элементами.
Распространенность химических элементов в земной коре неодинакова и повторяет в определенной мере космическую распространенность. Преобладают легкие элементы четырех порядковых номеров, составляющих первые четыре периода таблицы Менделеева. Преобладание кислорода среди химических элементов земной коры определяет ведущее значение распространения минералов, в состав которых он входит. Используя данные о распространенности элементов в земной коре, можно рассчитать соотношение слагающих ее минералов, обычно называемых породообразующими.
Поверхность континентов на 80% занята осадочными породами, а океаническое дно - почти полностью свежими осадками как продуктами сноса материала континентов и деятельности морских организмов. Земная кора первоначально возникла как продукт выплавления первичной мантии, который затем был переработан в биосфере под влиянием воздуха, воды и деятельности живых организмов.
Континентальная часть земной коры в течение длительной геологической истории находилась в области биосферы, что наложило свой отпечаток на облик, состав и распространенность осадочных пород и сосредоточенность в них полезных ископаемых в виде угля, нефти, горючих сланцев, кремнистых и карбоновых пород, связанных в прошлом с жизнедеятельностью организмов. В связи с этим континентальная земная кора имеет прямое отношение к биосфере Земли.
19) Законы функционирования биосферы.
Главную роль в теории биосферы В.И. Вернадского играет представление о живом веществе и его функциях.
Главная функция биосферы заключается в обеспечении круговорота химических элементов. Глобальный биотический круговорот осуществляется при участии всех населяющих планету организмов. Он заключается в циркуляции веществ между почвой, атмосферой, гидросферой и живыми организмами. Благодаря биотическому круговороту возможно длительное существование и развитие жизни при ограниченном запасе доступных химических элементов. Используя неорганические вещества, зеленые растения за счет энергии солнца создают органическое вещество, которое другими живыми существами (гетеротрофами-потребителями и деструкторами) разрушается с тем, чтобы продукты этого разрушения могли быть использованы растениями для новых органических синтезов.
Другой важнейшей функцией живого вещества, а, следовательно, биосферы является газовая функция. Благодаря деятельности живого вещества изменился состав атмосферы, в частности, в результате процесса фотосинтеза в ней появился в значительных количествах кислород. Большинство газов верхних горизонтов планеты порождено жизнью. В верхних слоях тропосферы и в стратосфере под влиянием ультрафиолетового излучения из кислорода образуется озон. Существование озонового экрана – также результат деятельности живого вещества, которое по выражению В.И. Вернадского, "как бы само создает себе область жизни". Углекислый газ поступает в атмосферу в результате дыхания всех живых организмов. Весь азот атмосферы имеет органогенное происхождение. К газам органического происхождения относятся также сероводород, метан и множество других летучих соединений, образующихся в результате разложения органических веществ растительного происхождения, ранее захороненных в осадочных толщах.
Живое вещество способно перераспределять атомы в биосфере. Одной из функций живого вещества является концентрационная. Многие организмы обладают способностью накапливать в себе определенные элементы, несмотря на незначительное их содержание в окружающей среде. На первом месте стоит углерод. Многие организмы концентрируют кальций, кремний, натрий, алюминий, йод и т.д. Отмирая, они образуют скопление этих веществ. Возникают залежи угля, известняков, бокситов, фосфоритов, осадочных железных руд и т.д. Многие из них человек использует как полезные ископаемые.
Окислительно-восстановительная функция живого вещества заключается в его способности осуществлять окислительные и восстановительные химические реакции, почти невозможные в неживой природе. В биосфере в результате жизнедеятельности микроорганизмов в больших масштабах осуществляются такие химические процессы, как окисление и восстановление элементов с переменной валентностью (азот, сера, железо, марганец и др.). Микроорганизмы-восстановители - гетеротрофы - используют в качестве источника энергии органические вещества. К ним относятся денитрифицирующие и сульфатредуцирующие бактерии, восстанавливающие из окисленных форм азот до элементарного состояния и серу до сероводорода. Микроорганизмы-окислители могут быть как аутотрофами, так и гетеротрофами. Это бактерии, окисляющие сероводород и серу, нитри- и нитрофицирующие микроорганизмы, железные и марганцевые бактерии, концентрирующие эти металлы в своих клетках.
20) Защитные механизмы природной среды и факторы, обеспечивающие ее устойчивость. Динамическое равновесие в окружающей среде. Гидрологический цикл. Круговорот энергии и вещества в биосфере. Фотосинтез.
Биосфера выступает как огромная, чрезвычайно сложная экологическая система, работающая в стационарном режиме на основе тонкой регуляции всех ее составляющих частей и процессов.
Стабильность биосферы основывается на высоком разнообразии живых организмов, отдельные группы которых выполняют различные функции в поддержании общего потока вещества и распределении энергии, на теснейшем переплетении и взаимосвязи биогенных и абиогенных процессов, на согласованности циклов отдельных элементов и уравновешивании емкости отдельных резервуаров. В биосфере действуют сложные системы обратных связей и зависимостей.
Стабильность биосферы обусловлена тем, что результаты активности трех групп организмов, выполняющих разные функции в биотическом круговороте, - продуцентов (аутотрофы), потребителей (гетеротрофы) и деструкторов (минерализирующие органические остатки) - взаимоуравновешиваются.
Важное значение для поддержания стабильности биосферы наряду с биологическим круговоротом имеет круговорот воды, источником энергии для которого служит солнечное излучение. В круговороте воды огромную роль играют живые организмы, в частности, транспирирующие растения, на создание единицы продукции которых требуется в сотни раз больше транспирируемой влаги.
В пределах ограниченных территорий круговорот воды заключается в испарении ее с поверхности почвы, водоемов, растений, концентрировании облаков и выпадении осадков. В пределах всей планеты этот круговорот выражается в водообмене "океаны - материки". Вода, испаряемая с поверхности океана, переносится ветрами на материки, выпадает над ними и с речными и подземными стоками вновь возвращается в океан.
Круговорот воды - главный источник механической работы в биосфере, тогда как биологический круговорот обусловлен в основном химическими процессами, которые сопровождаются превращениями химической энергии. Однако механическая работа, совершаемая на Земле в ходе круговорота воды - выветривание, растворение и т.п. – тем не менее, совершается или при участии живых организмов или за счет продуктов их жизнедеятельности. Перемещение воды осуществляют в биосфере процессы эрозии, транспорта, перераспределения, осаждения и накопления механических и химических осадков на суше и в океане.
Солнечная энергия вызывает планетарные перемещения воздушных масс в результате их неравномерного нагревания. Возникают грандиозные процессы атмосферной циркуляции, которые носят ритмический характер.
Все эти планетарные процессы на Земле тесно переплетены, образуя общий, глобальный круговорот веществ, перераспределяющий энергию, поступающую от солнца. Он осуществляется через систему малых круговоротов. К большим и малым круговоротам подключаются тектонические процессы, обусловленные вулканической деятельностью и движением океанических плит в земной коре. В результате на Земле осуществляется большой геологический круговорот веществ.
Любой биологический круговорот характеризуется многократным включением атомов химических элементов в тела живых организмов и выходом их в окружающую среду, откуда они вновь захватываются растениями и вовлекаются в круговорот. Малый биологический круговорот характеризуется емкостью - количеством химических элементов, находящихся одновременно в составе живого вещества в данной экосистеме, и скоростью - количеством живого вещества, образующегося и разлагающегося в единицу времени.
Скорость биологических круговоротов на суше составляет годы и десятки лет, в водных экосистемах - несколько дней или недель.
Биологический круговорот суши и гидросферы объединяют круговороты отдельных ландшафтов посредством водного стока и атмосферных перемещений. Особенно важна роль циркуляции воды и атмосферы в объединении всех материков и океанов в единый круговорот биосферы.
Большой геологический круговорот вовлекает осадочные породы вглубь земной коры, надолго выключая содержащиеся в них элементы из системы биологического круговорота. В ходе геологической истории преобразованные осадочные породы, вновь оказавшись на поверхности Земли, постепенно разрушаются деятельностью живых организмов, воды и воздуха и снова включаются в биосферный круговорот.
Установлено, что в последние 600 млн. лет характер основных, круговоротов на Земле существенно не менялся. Осуществлялись фундаментальные геохимические процессы, характерные и для современной эпохи: накопление кислорода, связывание азота, осаждение кальция, образование кремнистых сланцев, отложение железных, марганцевых руд и сульфидных минералов, накопление фосфора. Менялись лишь скорости этих процессов. В общих чертах не менялся и общий поток атомов, вовлекаемых в живые организмы. Специалисты считают, что масса живого вещества оставалась приблизительно постоянной, начиная с каменноугольного периода, т. е. биосфера с тех пор поддерживает себя в определенном стабильном режиме круговоротов.
Стабильное состояние биосферы обусловлено деятельностью самого живого вещества, обеспечивающей определенную степень фиксации солнечной энергии (фотосинтез) и уровень биогенной миграции атомов.
Например, круговорот углерода начинается с фиксации атмосферной двуокиси углерода в процессе фотосинтеза. Часть образовавшихся в процессе фотосинтеза углеводов используется самими растениями для получения энергии, другая часть потребляется животными. Углекислый газ выделяется в процессе дыхания растений и животных. Мертвые растения и животные разлагаются, углерод их тканей окисляется и возвращается в атмосферу. Аналогичный процесс происходит и в океане.
Необходимо учитывать, что стабильность биосферы, как любой другой системы, имеет определенные пределы.
Человеческое общество, используя не только энергетические ресурсы биосферы, но и небиосферные источники энергии (например, ядерной), ускоряет геохимические преобразования на планете, вмешивается в ход биосферных процессов. Некоторые процессы, вызванные деятельностью человека, имеют противоположную направленность по отношению к естественным процессам (рассеивание руд металлов, углерода и других биогенных элементов, торможение минерализации и гумификации, освобождение углерода и его окисление, нарушение глобальных процессов в атмосфере, влияющих на климат, и т.д.).
В соответствии с этим одной из основных задач современной экологии является изучение регуляторных процессов в биосфере, создание научного фундамента ее рационального использования, поддержания ее стабильности.
21) Условия и факторы, обеспечивающие безопасную жизнедеятельность в окружающей среде. Естественные "питательные" циклы, механизмы саморегуляции, самоочищение биосферы. Возобновляемые и невозобновляемые природные ресурсы.
Поддержание жизнедеятельности организмов и круговорот веществ в экосистемах возможны только за счет постоянного притока энергии. Более 99% энергии, поступающей на поверхность Земли, составляет излучение Солнца. Эта энергия в огромном количестве растрачивается на физические и химические процессы в атмосфере, гидросфере и литосфере: перемешивание воздушных потоков и водных масс, испарение, перераспределение веществ, растворение минералов, поглощение и выделение газов.
Только 1/2000000 часть солнечной энергии достигает поверхности Земли, при этом 1-2% ее ассимилируется растениями. На Земле существует единственный процесс, при котором энергия солнечного излучения не только тратится и перераспределяется, но и связывается, запасается на очень длительное время. Этот процесс – создание органического вещества в ходе фотосинтеза. Сжигая в топках каменный уголь, мы освобождаем и используем солнечную энергию, запасенную растениями сотни миллионов лет назад.
Основная планетарная функция растений (аутотрофов) заключается в связывании и запасании солнечной энергии, которая затем расходуется на поддержание биохимических процессов в биосфере.
Гетеротрофы получают энергию с пищей. Все живые существа являются объектами питания других, т.е. связаны между собой энергетическими отношениями. Пищевые связи в биоценозах являются механизмом передачи энергии от одного организма к другому. Организмы любого вида являются потенциальным источником энергии для другого вида. В каждом сообществе трофические связи образуют сложную сеть. Однако энергия, поступившая в трофическую сеть, не может долго мигрировать в ней. Она может передаваться не более чем через 4-5 звеньев, т.к. в цепях питания существуют потери энергии. Место каждого звена в пищевой цепи называют трофическим уровнем.
Первый трофический уровень - это продуценты, создатели растительной биомассы; растительноядные животные (консументы 1-го порядка) относятся ко второму трофическому уровню; плотоядные животные, живущие за счет растительноядных форм – это консументы 2-го порядка; плотоядные, поедающие других плотоядных - консументы 3-го порядка и т.д.
Энергетический баланс консументов складывается следующим образом. Поглощенная пища обычно усваивается не полностью. Процент усвояемости зависит от состава пищи и наличия пищеварительных ферментов организма. У животных ассимилируется в процессе обмена веществ от 12 до 75% пищи. Неусвоенная часть пищи вновь возвращается во внешнюю среду (в виде экскрементов) и может быть вовлечена в другие цепи питания. Большая часть энергии, полученной в результате расщепления пищевых веществ, расходуется на физиологические процессы в организме, меньшая часть - трансформируется в ткани самого организма, т.е. расходуется на рост, увеличение массы тела, откладывание запасных питательных веществ.
Передача энергии в химических реакциях в организме происходит, согласно второму закону термодинамики, с потерей части ее в виде тепла. Особенно велики эти потери при работе мышечных клеток животных, коэффициент полезного действия которых очень низок.
Траты на дыхание также во много раз больше энергетических затрат на увеличение массы организма. Конкретные соотношения зависят от стадии развития и физиологического состояния особей. У молодых особей траты на рост больше, тогда как зрелые особи используют энергию практически исключительно на поддержание обмена веществ и физиологических процессов.
Таким образом, большая часть энергии при переходе от одного звена пищевой цепи к другому теряется, т.к. использована другим, следующим звеном, может быть, только энергия, заключенная в биомассе предыдущего звена. Подсчитано, что эти потери составляют около 90%, т.е. только 10% потребленной энергии аккумулируется в биомассе.
В соответствии с этим, запас энергии, накопленный в растительной биомассе, в цепях питания стремительно иссякает. Потерянная энергия может быть восполнена только за счет энергии Солнца, В связи с этим, в биосфере не может быть круговорота энергии, подобного круговороту веществ. Биосфера функционирует только за счет однонаправленного потока энергии, постоянного поступления ее извне в виде солнечного излучения,
Трофические цепи, которые начинаются с фотосинтезирующих организмов, называются цепями потребления, а цепи, которые начинаются с отмерших остатков растений, трупов и экскрементов животных - детритными цепями разложения.
Таким образом, поток энергии в биосфере разбивается на два основных русла, поступая к консументам через живые ткани растений или запасы мертвого органического вещества, источником которого также является фотосинтез.
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
