Биосфера, ее структура

Средой обитания всех живых организмов Земли, в том числе человека, является биосфера.

Биосфера - это все живое вещество Земли и область его распространения. Биосфера представляет собой оболочку вокруг Земли, включающую все живые организмы, обитающие на планете. В состав биосферы входит и та часть вещества Земли, которая находится в непрерывном обмене с этими организмами.

Термин "биосфера" образован от греческих слов "bios"-жизнь и "sphaira"- шар, сфера. В буквальном переводе слово "биосфера" означает "сфера жизни". Этот термин впервые был введен в науку в 1875 г. австралийским геологом и палеонтологом Эдуардом Зюссом (1831-1944). Сам Зюсс понимал под биосферой только совокупность всех живых организмов обитающих на Земле, не замечая тесного взаимодействия живой и неживой природы планеты.

Неживая природа существенно влияет на жизнедеятельность живых организмов. С другой стороны, живые организмы принимают активное участие в формировании многих горных пород, почвы, климата планеты, оказывают значительное воздействие на состав воды, атмосферного воздуха. Поэтому биосферу нельзя рассматривать отдельно от неживой природной среды, составляющей с ней единое целое.

Первым из ученых указавших на огромную роль живых организмов в формировании облика Земли, был Ж.Б. Ламарк (1744-1829). В его работах указывалось, что современная земная кора возникла под влиянием жизнедеятельности живых организмов.

Ни один живой организм на Земле, в том числе и человек не может существовать вне окружающей среды. Все организмы тесно связаны как между собой, так и мс неживой природой. Вся биосфера может существовать только при условии тесного взаимодействия с внешней средой - с географической оболочкой Земли и с космосом.

Для того чтобы представить себе структуру биосферы в пространстве, рассмотрим строение географической оболочки Земли (рис.1). Эта оболочка имеет неоднородное строение и состоит из нескольких концентрических сфер (геосфер), вращающихся вместе с планетой.

У Земли существует три внешние (атмосфера, гидросфера, литосфера) и одна внутренняя (мантия) геосфера.

Атмосфера (от греческого "atmos"-пар) - это мощная простирающаяся на огромную высоту - около 20 тыс.км над поверхностью планеты - и граничащая с космическим пространством. Через атмосферу происходит обмен веществом и энергией между землей и космосом. Атмосфера представляет собой сложную неоднородную структуру и состоит из нескольких слоев (см. рис. 1).

Тропосфера - нижний слой атмосферы, примыкающий к поверхности земли. Мощность тропосферы составляет 8-10 км в полярных областях и 16-18 км у экватора. В этом слое сосредоточено около 80% всех газов, находящихся в атмосфере.

В тропосфере происходят вертикальные и горизонтальные перемещения воздушных масс, обуславливающих круговорот воды и многих других веществ, теплообмен, перенос загрязнителей. Этот слой атмосферы изучен наиболее полно. Именно в нем могут существовать живые организмы земли.

Стратосфера расположена над тропосферой на высоте 18-55 км. В стратосфере на высоте около 30-40 км расположен озоновый слой - зона с высоким содержанием трехатомного кислорода - озона (О3). Озон образуется из кислорода под воздействием космического излучения.

Озона в атмосфере очень мало всего 4*10^-7 %. Если собрать весь озон атмосферы в один слой, то при нормальных условиях (то есть давлении 1 атм. и температуре 273оС) он будет иметь толщину слоя всего 0,3 см. Однако этого количества вполне достаточно для защиты биосферы земли от Уф излучения Солнца, поскольку озон обладает очень сильным поглощением. Озоновый слой вокруг земли поглощает практически все солнечное коротковолновое ультрафиолетовое излучение, губительное для всех живых организмов, Кроме того, озон задерживает также инфракрасное (тепловое) излучение Земли, препятствуя ее охлаждению.

Мезосфера - следующий слой атмосферы, расположенный на высоте 55-80 км от уровня моря. В мезосфере происходит резкое понижение температуры с высотой.

Термосфера, расположенная выше 80 км над уровнем моря, характеризуется постоянным повышением температуры. В верхней части термосферы температура достигает 1000К. Термосферу часто называют еще ионосферой, так как в ней находится большое количество ионов. Эти ионы обладают способностью задерживать космическое излучение, образуя "северное сияние".

Экзосфера - расположенный над термосферой верхний слой атмосферы, граничащий с околоземным космическим пространством.

Вся газовая оболочка - атмосфера - это "одеяло" земли, предохраняющее ее от губительного космического излучения, резких перепадов т емператур и от падения крупных метеоритов. Если бы вокруг земли не существовало атмосферы, то температуры у поверхности планеты днем превышало бы +1000С, а ночью опускалась ниже -1000С.

Гидросфера - водная оболочка земли. Ее подразделяют на поверхностную и подземную гидросферы. Большая часть водного запаса расположена на поверхности земли.

Поверхностная гидросфера включает в себя все поверхностные воды земли: океаны, моря, озера, реки, болота, ледники и т. д. Эта часть гидросферы занимает 70,8% поверхности земли.

Подземная гидросфера включает воды, находящиеся в верхней части земной коры.

Более 98% всех водных запасов земли составляют соленые воды океанов, морей и т. д. Общий объем пресных вод не превышает 2% от общего объема гидросферы. Причем большая часть пресных вод сосредоточена в виде льда у полюсов планеты. Таким образом, хотя общий запас воды на земле значителен, запасы пресной воды очень малы.

Мировой океан является источником многих минеральных ресурсов. В морской воде содержится большое количество химических элементов. Наиболее распространен в мировом океане хлор, натрий, магний, кальций и калий. В заметном количестве присутствуют уран, серебро, золото и медь.

В океане обитает свыше 300000 видов живых организмов - от микроскопических водорослей (планктона) до крупных морских животных. Морские организмы играют огромную роль в существовании биосферы - они производят почти половину всего кислорода, поступающего в атмосферу. Поэтому океан образно называют "легкими планеты".

Вся гидросфера земли в большей степени влияет на формирование климата планеты. Вода обладает способностью медленно нагреваться и медленно остывать, поэтому мировой океан служит аккумулятором тепловой энергии Солнца.

Гидросфера влияет на многие атмосферные процессы: нагревание и охлаждение воздушных масс, насыщение воздуха водяными парами и др.

Литосфера - внешняя твердая оболочка Земли или земная кора. Толщина литосферы составляет от 6-8 км (под дном океана) до 80 км (в горных системах). Именно литосфера является основным источником природных ресурсов для человека.

Земная кора сложена горными породами, среди которых выделяют магматические, осадочные и метаморфические.

Магматические горные породы возникли в результате кристаллизации расплавов в недрах Земли и на поверхности. К ним относятся базальты, граниты и др.

Осадочные горные породы образуются в результате процессов переотложения продуктов разрушения и выветривания различных горных пород, при выпадении осадка из природных вод, в результате жизнедеятельности некоторых живых организмов. К осадочным породам относятся известняки, доломит, кальцит, пески, глины и т. д.

Метаморфические горные породы образовались в результате преобразования в недрах Земли различных горных пород под воздействием высоких давления и температуры. К ним относятся слюда, полевой шпат и др.

Доля различных горных пород в земной коре неодинакова: более 70% приходится на магматические горные породы, около 17% - на метаморфические и чуть больше 12% - на осадочные.

Вся земная кора условно подразделяется на три слоя: "осадочный", "гранитный" и "базальтовый".

Вещество земной коры (литосферы) состоит в основном из легких элементов. Наиболее распространены следующие восемь химических элементов: O, Si, Al, Fe, Ca, Mg, Na, K. На долю остальных элементов приходится менее 1% массы коры.

Живые организмы сосредоточены в верхнем поверхностном слое литосферы - почве, в котором осуществляется тесное взаимодействие живых организмов с минеральной средой. Почва состоит из горных пород, органического вещества живых организмов, воды и различных газов. Остатки организмов после разложения образуют гумус - плодородный слой почвы.

Ниже литосферы расположена мантия - внутренняя геосфера земли. Условной границей между мантией и литосферой (земной корой) служит так называемая "поверхность Мохоровичича", названная так в честь обнаружившего ее югославского геолога А.Мохоровичича. Вблизи этой границы, лежащей на глубине около 50 км от поверхности Земли, происходит резкое увеличение скорости сейсмических волн, возникающих при землетрясениях и распространяющихся в породах Земли. Мантия, лежащая ниже границы Мохоровичича, имеет толщину около 2900 км и состоит в основном из оксидов кремния железа и магния. Материи мантии характеризуются большой однородностью (гомогенностью). Согласно современным представлениям, вещество мантии представляет собой аморфную стеклообразную массу.

Мантия окружает тяжелое ядро, вес которого составляет 34% от всего веса Земли. Радиус ядра оценивается в 3500 км. Из всех планет солнечной системы только Земля и Венера имеют такие тяжелые ядра.

Современная биосфера охватывает нижнюю часть атмосферы (тропосферу), всю гидросферу и верхнюю часть литосферы. Верхней границей биосферы является озоновый слой. Выше озонового слоя жизни не существует, так как мощный поток коротковолнового космического излучения губительно действует на все живые организмы.

Нижняя граница биосферы выражена не так резко и обусловлена высокой температурой земных недр. Она находится на глубине 2-3 км на суше и на 1-2 км ниже дна океана. На этой глубине температура приближается к 1000 С.

Крайних пределов биосферы достигают только простейшие организмы - различные микроорганизмы. Наибольшее количество живых существ сосредоточено в местах контакта трех сред: воды, воздуха и твердого почвенного покрова.

В биосфере осуществляется непрерывный круговорот вещества, передача энергии и информации. Без хорошо организованных материально-энергетических и информационных потоков невозможно устойчивое существование такой сложной системы, какой является биосфера Земли.

Основным источником энергии для биосферы является Солнце. Под воздействием солнечного излучения вещество биосферы становится активным. Именно благодаря энергии осуществляются все геологические, биологические и химические превращения в биосфере. Часто солнечной энергии, поступающей в биосферу, накапливается (аккумулируется) в виде запаса органического вещества. Таким образом, энергия солнца и материя Земли являются основой для возникновения и развития биосферы.

Еще одной обязательной составляющей для биосферы является информационный поток, объединяющий различные живые организмы. Все организмы в биосфере обмениваются между собой необходимой информацией необходимой для жизни. У большинства видов информационные связи обеспечивают согласованное действие небольшого количества особей. Исключение составляют общественные насекомые (муравьи, пчелы и др.). В человеческом обществе гораздо более высокий уровень передачи информации - через систему слов, фраз, в которых кодируются сложные сигналы. Кроме того, человек создает технические средства, обеспечивающие передачу информации на большие расстояния и связывающие человеческое общество в единое целое с образованием единого информационного пространства.