СТРУКТУРА БИОСФЕРЫ

 

Каждая наука имеет свою область изучения. Для экологии это биосфера - сфера жизни, т. е. часть планеты, которая включает совокупность живых существ и в которой возможна жизнь.

Понятие биосферы было введено австрийским ученым Э. Зюссом в 1875 г. Стройное учение о биосфере было создано выдающимся русским ученым В.И. Вернадским. Основы этого учения были изложены в 1926 г. в книге «Биосфера», где рассмотрены свойства «живого вещества» и его функции в формировании современного облика Земли. В составе биосферы В.И. Вернадский выделил четыре ре основных типа разных, но взаимосвязанных веществ:

косное вещество - геологические образования, не созданные живыми организмами;

живое вещество - вся совокупность биологической массы живых организмов на Земле;

биокосное вещество - комплексы тесно взаимодействующих элементов живого и косного вещества, например почва;

биогенное вещество - геологические породы, созданные в результате жизнедеятельности живых существ (известняки, песчаники, железные руды, каменный уголь, нефть и т. п.).

Таким образом, по В.И. Вернадскому, биосфера представляет собой одну из геологических оболочек Земли, в которой происходит взаимодействие живого и косного вещества планеты.

Земля имеет форму геоида, сплюснутого у полюсов. Под влиянием гравитации Земля движется по орбите и вращается вокруг своей оси, от чего зависят земной год, смена времен года, дня и ночи и их длительность. Этим обусловливаются не только основные ритмы на нашей планете, но и ее термодинамика. Под влиянием притяжения Луны и Солнца происходят морские приливы и отливы, оказывающие прямое воздействие на формирование прибрежных морских экосистем.

Биосфера включает в себя нижнюю часть атмосферы, всю гидросферу и верхнюю часть литосферы.

Атмосфера - газовая оболочка Земли, общая масса которой оставляет 5,27×10¹⁵ т, является довольно надежным экраном, защищающим жизнь от космического холода и от воздействия высокочастотных компонентов солнечной и космической радиации.

По химическому составу современная атмосфера состоит из 78,08 % азота, 20,95 % кислорода, 0,93 % аргона, 0,0324 % углекислого газа.

В стратосфере на высоте 15...30 км находится озоновый слой, где под воздействием высокочастотного ультрафиолетового излучения молекула кислорода (О₂) раскалывается на атомы, и в результате взаимодействия с молекулами кислорода образуется озон (О₃). Озоновый слой атмосферы играет очень важную роль при защите всего живого на Земле от губительного высокочастотного ультрафиолетового излучения.

Атмосферу подразделяют на: термосферу, стратосферу, тропопаузу, тропосферу. В состав биосферы входит лишь нижняя часть атмосферы - тропосфера, для которой характерно конвекционное движение воздуха. Верхняя граница тропосферы изменяется в течение года: летом она выше, зимой ниже. У полюсов верхняя граница тропосферы колеблется в диапазоне 8...10 км, у экватора - в диапазоне 16...18 км, в умеренных зонах - в диапазоне 9...12 км. Именно в тропосфере образуются облака и здесь сосредоточена основная масса водяного пара. Масса самой тропосферы составляет приблизительно 80 % массы всей атмосферы. Температура в тропосфере убывает с высотой (на 0,6 °С на каждые 100 м) и на верхней границе тропосферы достигает -50... -70 °С

Между тропосферой и стратосферой существует слой в 1 2 км (тропопауза), где господствуют очень сильные струйные воздушные потоки воздуха, перемещающиеся со скоростью 150...300 км/ч. В стратосфере (втором слое атмосферы) практически нет водяных паров, ее температура медленно поднимается, достигая на верхней границе среднегодового значения 0 °С.

Температура воздуха в нижних слоях тропосферы является показателем погоды (кратковременных метеорологических условий местности) и климата (устойчивых годовых циклов погодных условий). Важную роль в формировании погоды и климата играют термодинамически активные примеси (ТАП) - переменные составные части атмосферы, способные сильно влияют на состояние воздуха и распределение в атмосфере тепла.

Важнейшей ТАП является водяной пар, что обусловлено особыми свойствами воды, прежде всего высокой теплоемкостью и большой энергией парообразования и конденсации. Весь водяной пар в атмосфере обновляется в среднем за один год 33 раза или один раз в 11 дней. Водяной пар очень быстро конденсируется в капли при понижении температуры (облака, туман) или на частицах пыли (смог). Водяной пар и особенно сформировавшаяся облачность усиливают парниковый эффект, пропуская солнечную радиацию до поверхности Земли и поглощая низкочастотное тепловое инфракрасное излучение из нижних слоев атмосферы. К особым свойствам воды в атмосфере можно также отнести, то что осадкообразование идет быстрее, чем испарение, поэтому, как правило, насыщение атмосферы водяным паром не происходит. Исключение составляют некоторые местности в экваториальной зоне Земли. Таким образом, водяные облака и осадки - это особенности проявления погоды на Земле. От них в значительной мере зависит климат.

Другой важный компонент ТАП в атмосфере - углекислый газ, который, как и водяной пар, способствует парниковому эффекту. Кроме того, в воздухе иногда появляются аэрозоли и пылевые облака, которые рассеивают солнечную радиацию и понижают температуру поверхности Земли, если пыль попадает выше тропопаузы и, следовательно, медленно оседает. В целом по многолетним наблюдениям и расчетам среднегодовая температура воздуха у поверхности Земли в среднем составляет около 15 °С.

Следует отметить высокую стабильность газового состава атмосферы. Благодаря эффективному перемешиванию воздуха в результате естественных конвекционных процессов (до высоты приблизительно 100 км) газовый состав атмосферы достаточно однороден. Лишь выше 600 км (в верхней части термосферы) заметна утечка в космос наиболее легких газов - водорода и гелия. Если бы газовый состав не обновлялся, то весь газообразный водород исчез бы за 2000 лет, гелий - за 24 млн. лет.

Важнейшее значение для существования природных экосистем имеет теплообмен, происходящий между космическим пространством, атмосферой и поверхностью Земли, взаимодействующей с атмосферой.

Для поддержания своей постоянной температуры Земля должна отдавать в безвоздушное пространство столько же энергии, сколько получает ее от Солнца.

Атмосфера почти не прозрачна для инфракрасной радиации, которую она большей частью поглощает с помощью термодинамически активных примесей, прежде всего водяного пара и углекислого газа Основная часть тепла исходит от земной поверхности в основном в результате конденсации водяных паров. Таким образом, вода в атмосфере и океане играет важную роль аккумулятора тепла и, в свою очередь, обусловливает конвекционные процессы в атмосфере и гидросфере. Мировой океан ослабляет суточные и годовые колебания температуры атмосферы. При этом годовые амплитуды температуры над материками значительно больше, чем над океанами.

Разница в нагревании Солнцем различных областей Земли приводит к движению ее оболочек - океана и атмосферы. Таким образом, Земля представляет собой как бы тепловую машину: ее нагреватель - Солнце, а холодильник - холод безвоздушного пространства. При этом тепловая энергия преобразуется в механическую работу - движение воздушных масс, океанических течений и испарение воды с поверхности океана.

Движение атмосферы и океанических вод перераспределяет энергию, полученную от Солнца, благодаря чему создается более равномерный климат Земли. Наиболее крупными элементами тепловой машины являются тропические пояса Земли (нагревательный элемент с положительным бюджетом тепла) и высокоширотные области (холодильник с отрицательным тепловым бюджетом). Воздух, нагретый в тропиках, поднимается в верхние слои атмосферы, затем устремляется к полюсам и, охлаждаясь там, опускается и возвращается к экватору вдоль поверхности Земли. Вследствие вращения Земли эти ветры отклоняются в юго-западном направлении в Северном полушарии и в северо-восточном - в Южном полушарии. В результате этого на Земле существует зона постоянных ветров со скоростью 5...7,5 м/с (пассаты) между широтами 25° и 5° в каждом полушарии.

Кроме того, давление воздуха и система ветров зависят от разницы прогрева моря и суши. В холодное время года нагревателем в тепловой машине служат наиболее теплые области океана, а холодильником - материки. В теплое время года ситуация меняется, материк нагревается быстрее океана и служит нагревателем, а океан - холодильником. Исключение составляют лишь Антарктида и Гренландия, которые из-за мощного материкового оледенения круглый год выполняют функции холодильника. Например, в январе над Азией и Северной Америкой появляется область высокого давления, в то время как над океаном давление понижено. Муссонная циркуляция над Индийским океаном в зимнее время в значительной степени определяется областью высокого давления над Азией, которая вызывает юго-западные ветры. Этот поток сухого воздуха вызывает сильное испарение над сушей и смежным океаном. В июле ситуация меняется: теперь ветры дуют с Индийского океана на северо-восток, т. е. в сторону материка. Влажный океанический воздух, достигая теплого материка, приносит с собой обильные осадки, которые называются муссонными дождями.

Тропические ураганы или тайфуны, средняя ширина которых достигает нескольких сотен километров, а высота 6...15 км, также появляются в результате работы тепловых машин. Нагревателем служат наиболее теплые участки океана, а холодильником - все окружающее их пространство. Речь идет о весьма устойчивых образованиях, засасывающих колоссальные массы воды и движущихся со скоростью нескольких десятков километров в час. Движение тайфунов сопровождается сильными ливнями с расходом воды, близким или в несколько раз превышающим годовую норму.

Аналогичный механизм тепловой машины обусловливает морские течения. Движущей силой служит разница температур и плотности (солености) воды, дополняемая эффектом вращения Земли. Картина течений осложняется конфигурацией материков, а также рельефом морского дна. Наиболее известные морские течения - Гольфстрим и Куросио.

Закономерности образования влаги в атмосфере, процессы ее конденсации, формирования облаков и движение воздушных масс определяют характер распределения осадков над поверхностью континентов. Наибольшее количество осадков (2000...3000 мм) выпадает в экваториальной зоне, достигая максимальных значений (7000... 10 000 мм) в бассейне реки Амазонки, на островах Индонезии и в некоторых районах Индии. «Полюс дождливости» (12 000 мм) находится в Индии, в районе Черапунджи (2°3' с. ш. и 91°8' в. д.). Количество осадков в субтропиках и пустынных районах Северного полушария снижается до 250 мм, местами - до 100 мм.

Итак, атмосфера Земли, с одной стороны, защищает жизнь на Земле от космического холода и губительных высокочастотных ультрафиолетовых излучений, а с другой - включает в себя химические элементы, входящие в состав атмосферных газов, которые составляют важный биогеохимический резерв, необходимый при функционировании всех живых организмов.

Гидросфера, так же как и атмосфера, является важнейшей абиогенной оболочкой биосферы. В состав гидросферы, масса которой составляет около 1,46 • 10¹⁸ т, обычно включают всю воду Земли в жидкой и твердой фазах.

Основную часть гидросферы - 94 % всей ее массы - составляют соленые воды Мирового океана, включающие Тихий, Атлантический, Индийский, Северный Ледовитый океаны. Остальная вода сосредоточена в ледниках и снежном покрове, в водах рек и озерах в подземных водах.

Объем вод Мирового океана - 1,37 млн км , а площадь-361 млн км² (почти 71 % поверхности Земли). Средняя глубина Мирового океана - 3795 м, максимальная - 11023 м. Если бы поверхность Земли была гладкой, то океан затопил бы сушу и имел глубину. 2685 м, а его уровень был бы на 245 м выше современного.

В настоящее время средняя соленость морской воды составляет 35 г соли на 1 л воды, что очень близко к солености крови человека. Соленость Балтийского моря колеблется от 3 до 10 г/л. Самая соленая вода в Красном море - около 42 г/л.

Неравномерность нагрева поверхности Мирового океана и, следовательно, различная плотность вод, создают течения в океане (рис. 3.1). Наиболее мощные поверхностные течения тропической зоны океана приурочены к северу и югу от экватора -это пассатные течения (их скорость 50...70 см/с). Они создаются постоянно дующими мощными ветрами - пассатами (северный пассат - с северо-востока на юго-запад, южный - с юго-востока на северо-запад).

Там, где пассатные течения упираются в материки, они поворачивают и несут тропическое тепло в умеренные, иногда даже в полярные, климатические зоны Земли. Согласно действию Кориолисовых сил морские течения в Северном полушарии отклоняются вправо, а в Южном - влево. Основные теплые течения, отходящие от пассатных течений: в северной части Атлантического океана - Гольфстрим, в южной части - Бразильское течение; в Тихом океане - Куросио, аналог Гольфстрима. В Северном полушарии теплые течения заходят за полярный круг, а в Южном доходят лишь до 35° южной широты.

Западные воды тропической части Мирового океана являются наиболее теплыми и здесь формируются такие уникальные высокопродуктивные экосистемы, как коралловые рифы и острова (атоллы), в этих же частях, как правило, зарождаются и тропические циклоны (тайфуны, ураганы).

Пресные воды Земли - важнейшая для человека и высших животных часть гидросферы. В общем объеме гидросферы доля пресных вод составляет всего 6 %, из которых на долю подземных вол приходится около 4 %, а на льды покровных оледенений – около 2 %. Используемая человеком и вообще живыми организмами пресная вода в жидкой фазе (вода рек и озер) составляет лишь 0,02...0,03 % всего объема гидросферы.

Крупнейшая река мира - Амазонка. Она имеет мощность потока приблизительно 200 тыс. м³/с, что составляет около 16 % от стока всех рек. Самая многоводная река России - Енисей – несет воды приблизительно в 10 раз меньше, а Волга - в 25 раз меньше, чем Амазонка.

Крупнейшие озера мира: Каспийское море-озеро (площадь 376 тыс. км², максимальная глубина 1025 м), Байкал (31,5 тыс. км², 1620 м), Виктория (68,1 тыс. км², 80 м), Танганьика (32,9 тыс. км², 1470 м), Ньяса (30,8 тыс. км², 726 м), Великие озера Северной Америки - Верхнее, Гурон, Мичиган, Эри, Онтарио (общая площадь 245,1 тыс. км², максимальная глубина 406 м). Крупнейшее в мире скопление пресной воды находится в озере Байкал (около 23000 км³ чистейшей воды), это лишь немногим меньше, чем во всех пяти Великих озерах Северной Америк.

Рис. 3.1. Схема постоянных течений в Мировом океане

 

1 - Аляскинское течение; 2 - Северо-Тихоокеанское течение; 3 - Калифорнийское течение; 4 - Северное пассатное течение; 5 - Межпассатное противотечение; 6 - Южное пассатное течение; 7 - Перуанское течение; 8 - Течение западных ветров; 9 - Лабрадорское течение; 10 - Гренландское течение; 11 - Норвежское течение; 12 - Северо-Атлантическое течение; 13 - течение Гольфстрим; 14 - Канарское течение; 15 - Северное пассатное течение; 16 - Южное пассатное течение;
17- Бразильское течение; 18 - Бенгельское течение; 19 - Муссонное течение;
20 - Межпассатное противотечение; 21 - Южное пассатное течение; 22 - Западно-Австралийское течение; 23 - Восточно-Австралийское течение; 24 - течение Куросио; 25 - Камчатско-Курильское течение

– теплые течения;

-- – холодные течения.

 

Литосфера (земная кора) - это твердая земля - суша а также дно океанов. Литосфера имеет толщину 25...70 км под материками и 6...8 км под океанами. Глубже расположена мантия или магма (твердое вещество в пластическом состоянии). Если принять среднюю толщину земной коры равной 33 км, а среднюю плотность равной 2,8 г/см³, то масса земной коры составит 4,7-10¹⁹ т (около 0,8 % массы всей Земли).

Земная кора состоит в основном из кремния (SiO_{2 -} 58%, алюминия (АlО₃ - 15 %) и железа (FeO, Fe₂O₃ - 8%). В сумме эти вещества составляют более 80 % массы земной коры.

В земной коре химические соединения встречаются в виде скоплений определенных структур - минералов и горных пород Минерал - это встречающееся в природе однородное неорганическое кристаллическое вещество. Всего на Земле насчитывается около 3 тыс. различных минералов.

По своему происхождению породы земной коры подразделяются на следующие группы:

• изверженные - образованные застывшей магмой;

• осадочные - возникшие путем сноса в низины, часто на дно водоемов размельченных горных пород и остатков скелетов различных животных;

• метаморфические - сформированные из изверженных и осадочных пород в результате их сильного изменения и перекристаллизации под воздействием высокой температуры и давления в глубине земной коры, а также под воздействием флюидов (токов подземных горячих растворов и газов).

Теплопроводность горных пород земной коры исключительно мала, поэтому поток подземного тепла на поверхности Земли имеет мощность в две тысячи раз меньшую, чем солнечное излучение Однако в глубь Земли температура быстро растет: в верхних слоях земной коры - в среднем на 3 °С на каждые 100 м углубления. Значения температуры на глубине 100 км приближаются к 1100... 1200 °С. Источником энергии для разогрева недр Земли являются сила гравитационного сжатия, а также энергия распада радиоактивных элементов.

Роль живого вещества в биосфере.Эта роль чрезвычайно важна. Живое вещество - основа биосферы, хотя и составляет крайне незначительную ее часть. Это обусловлено высокой химической активностью. В.И. Вернадский в 1928 - 1930 гг. в своих работах, посвященных процессам миграции и трансформации химических веществ в биосфере, выделил пять основных биогеохимических функций живого вещества.

Первая функция - газовая. Качественный и количественный состав атмосферы Земли (концентрации кислорода, углекислого газа и других соединений) обусловлен жизнедеятельностью живого вещества. Подземные горючие газы являются продуктами разложения органических веществ растительного происхождения, накопившимися в осадочных толщах в предыдущие геологические эпохи. Наиболее распространенный из них – болотный газ метан (СН₄).

Вторая функция - концентрационная. Все живые организмы накапливают в своих телах различные химические элементы. В результате этого процесса удельное содержание многих элементов в живом веществе значительно превышает их концентрацию в окружающей среде (воде, воздухе, почве). Например, позвоночными животными накапливается фосфор, который сосредоточивается в их костях. Кремний в наибольшей степени концентрируется в диатомовых водорослях, радиоляриях и некоторых губках, йод - в водоросли ламинария, железо и марганец - в особых железомарганцевых бактериях. Среди химических элементов - металлов - по концентрации в живом веществе первое место занимает кальций, образующий известь (СаСО₃). Целые горные хребты сложены остатками животных с известковым скелетом. Но наиболее концентрируемым в живом веществе элементом является углерод. Содержание углерода в каменном угле (растительных и животных остатках прошлых геологических эпох) по степени концентрации в тысячи раз больше, чем в среднем в земной коре.

Третья функция - окислительно-восстановительная. В истории химических превращений элементов с переменной валентностью эта функция играет важную роль. Организмы, обитающие в разных водоемах, в процессе своей жизнедеятельности и после гибели регулируют кислородный режим и тем самым создают условия, благоприятные для растворения или же осаждения ряда металлов с переменной валентностью (ванадий, марганец, железо). Многие хемосинтезирующие бактерии в процессе жизнедеятельности изменяют валентности различных химических элементов (хром, сера, водород, железо, марганец и др.) в окружающей их среде обитания.

Четвертая функция - биохимическая. Она связана с ростом, размножением и перемещением живых организмов в пространстве. Размножение приводит к быстрому распространению живых организмов, «расползанию» живого вещества в разные географические области.

Пятая функция - это биогеохимическая деятельность человечества, охватывающая все возрастающее число элементов, используемых для нужд промышленности, транспорта, сельского хозяйства. Данная функция занимает особое место в истории планеты Земля и заслуживает внимательного отношения и изучения. В обобщенном виде роль живого вещества в биосфере сформулирована В. И. Вернадским в виде концептуального экологического закона биогенной миграции атомов, который гласит:

«Миграция химических элементов на земной поверхности и в биосфере в целом осуществляется или при непосредственном участии живого вещества (биогенная миграция), или же она протекает в среде, геохимические особенности которой обусловлены живым веществом, как тем, которое в настоящее время населяет биосферу, так и тем, которое действовало на Земле в течение всей геологической истории».

Таким образом, благодаря активности живого вещества многие химические элементы находятся в постоянном биологическом круговороте, который связан с глобальным геологическим круговоротом веществ в биосфере.

Отдельные живые организмы не только сами приспосабливаются к окружающей физико-химической среде, но и в ходе своей совместной жизнедеятельности в биосфере приспосабливают окружающую геохимическую среду к своим биологическим потребностям. Таким образом, сообщества организмов, а также среда их обитания функционируют и развиваются как единое целое. Тот факт, что химический состав атмосферы Земли почти постоянен и резко отличается от состава атмосферы любой другой планеты Солнечной системы, способствовал созданию гипотезы Геи, согласно которой живое вещество биосферы, особенно микроорганизмы, вместе с геохимической средой обитания образуют сложную саморегулирующуюся систему, поддерживающую на Земле условия, благоприятные для существования жизни.

Так, аммиак, выделяемый почвенными микроорганизмами в ходе их жизнедеятельности, поддерживает в почвах уровень кислотности (рН), благоприятный для жизнедеятельности почвенных организмов. Без выделения аммиака почвенными бактериями в ходе разложения мертвого органического вещества кислотность почвы была бы слишком низкой и неблагоприятной для жизни.

В табл. 3.1 приведены данные, позволяющие сравнить современный состав атмосферы Земли, Марса и Венеры с гипотетической атмосферой на безжизненной Земле. Из этой таблицы видно, что одной из особенностей современной атмосферы Земли является высокий уровень концентрации кислорода, который постоянно поступает в атмосферу в результате процесса фотосинтеза растений.

Вероятнее всего, что именно живые организмы, населяющие биосферу, играли основную роль в ходе регуляции геохимической среды, благоприятной для развития жизни в процессе исторического развития Земли. Следует иметь в виду, что в глобальном историческом масштабе процессы фотосинтеза органического вещества и его распада (окисление до углекислого газа и воды) при дыхании живых организмов на Земле не были сбалансированы.

Таблица 3.1

Состав атмосферы и температурных условий на Марсе, Венере,

Земле и гипотетической Земле без жизни

Показатели	Марс	Венера	Земля до появления жизни (4 млрд. лет назад)	Земля
Содержание газов в атмосфере, %:
двуокись углерода				0,03
азот	2,7	1,9	1,9
кислород	0,13	следы	следы
Температура поверхности, °С	-53

Источник: Одум Ю. Указ. соч. С. 37.

 

В течение 1 млрд. лет скорость образования (продукция) органического вещества на Земле превышала его распад, при этом небольшая часть созданного органического вещества не расходовалась на дыхание и не разлагалась, а сохранялась в геологических осадках. Полагают, что такое преобладание органического синтеза над дыханием и явилось основной причиной уменьшения содержания углекислого газа в атмосфере и накопления в ней кислорода, концентрация которого в настоящее время весьма высока. Все это сделало возможным существование и эволюцию высших форм жизни на Земле.