Геосферы Земли. 
Строение окружающего мира

Биосфера — оболочка жизни. Биосфера — это оболочка Земли, состав, структура и энергетика которой определяются совокупной деятельностью живых организмов и неживой природы. В нее входят не только растительный покров и животные, населяющие планету, но и все реки, озера, моря и океаны, весь почвенный слой и самый верхний слой земной коры — зона выветривания, а также значительная часть атмосферы. Верхняя граница биосферы находится на высоте 15−20 км от поверхности земли, в стратосфере. Верхний предел жизни ограничивается ультрафиолетовыми лучами и космическими излучениями. Нижняя граница жизни проходит по литосфере на глубине 2−3 км (здесь в нефтеносных слоях были обнаружены бактерии) и по дну океана в гидросфере. Жизнь, в основном, сосредоточена в верхней части литосферы — в почве и на ее поверхности — и в верхней части гидросферы. Таким образом, средняя толщина биосферы составляет 12−17 км, а максимальная не превышает 33−36 км.

Термин «биосфера» ввел австрийский ученый Э. Зюсс в 1875 г., понимавший ее как тонкую пленку жизни на земной поверхности, в значительной мере определяющую «лик Земли». Целостное учение о биосфере создано В. И. Вернадским. Его идеи, изложенные в фундаментальном труде «Биосфера» в 1926 году намного обогнали научный уровень той эпохи, в которой он работал. Он доказал, что совокупность живых организмов, когда-либо обитавших и обитающих на Земле, играет огромную роль в ее геологической эволюции, а также во всех физических и химических процессах, протекающих на земной поверхности и в толще вод.

В. И. Вернадский рассматривал биосферу как область жизни, включающую наряду с организмами и среду их обитания. Он выделил в биосфере семь разных, но геологически взаимосвязанных типов веществ:

живое вещество (животные, растения и т. п.),.

биогенное вещество (горючие ископаемые, известняки и т. п. создаваемые и перерабатываемые живыми организмами),.

косное вещество, образованное в результате процессов, в которых живые организмы не участвуют (горные породы, возникающие при извержении вулканов),.

биокосное вещество, создаваемое одновременно живыми организмами и процессами неорганической природы (почва),.

радиоактивное вещество, рассеянные атомы,.

вещество космического происхождения (метеориты, космическая пыль).

Биосфера по учению В. И. Вернадского не просто совокупность живых организмов, а единая оболочка Земли, в которой сосредоточена жизнь и осуществляется постоянное взаимодействие всего живого с неорганическим миром. Жизнь — это связующее звено между космосом и Землей, которое способно использовать энергию, приходящую из космоса и трансформировать минеральные вещества, создавать новые формы материального мира. Жизнь на Земле возникла около 3,5−3,8 млрд. лет тому назад. геосфера земля природный В биосфере нашей планеты образовалась сложная система, обеспечивающая круговорот веществ. Она состоит из организмов, которые можно разделить на три группы:

Продуценты (производители) — автотрофные организмы, создающие органические вещества из неорганических (в основном, растения),.

Консументы (потребители) — гетеротрофные организмы, питающиеся за счет автотрофных (самые разнообразные организмы — от бактерий до китов),.

Редуценты — организмы, главным образом бактерии и грибы, которые питаются разлагающимися организмами, т. е. в процессе своей жизнедеятельности превращают органические вещества в неорганические. Эти минеральные вещества, в дальнейшем используются растениями для синтеза новых органических веществ.

Биосфера самая крупная экологическая система (экосистема) земного шара. По определению Н. Ф. Реймерса «Экосистема — любое сообщество живых существ и его среда обитания, объединенные в единое функциональное целое, возникающее на основе взаимозависимости и причинно-следственных связей, существующими между отдельными экологическими компонентами». Огромное количество видов растений и животных взаимодействует так, что каждый удовлетворяет свои потребности и способствует существованию других. Механизмы саморегуляции поддерживают все системы в равновесии друг с другом. Элементарные, первичные структурные единицы биосферы называют биогеоценозами. Биогеоценоз — это эволюционно сложившаяся, пространственно ограниченная, длительно самоподдерживающаяся, однородная природная система взаимосвязанного комплекса живых организмов и окружающей их неживой среды. Живыми компонентами биогеоценоза являются продуценты, консументы и редуценты, а неживыми — солнечная энергия, воздух, вода и субстраты (на суше — почва, на дне водоемов — грунт).

Биосфера Земли состоит из систем более низкого иерархического уровня. Обычно в биосфере условно выделяют четыре крупных комплекса — атмосферу, литосферу (верхнюю часть земной коры), гидросферу и живые организмы.

Гидросфера — это совокупность всех водных объектов земного шара: океанов, морей, рек, озер, водохранилищ, болот, почвенных и подземных вод, ледников и снежного покрова. Гидросфера — компонент неживой материи, но с ней связана жизнь на Земле. Там, где есть вода, есть и жизнь. Особенно ярким примером может служить пустыня, где стоит появиться воде, как жизнь возникает во всем ее великолепии и на месте пустыни возникает оазис. И наоборот, потеря источника водоснабжения приводит к гибели всего живого.

Рассмотрим роль воды в организме человека. Эмбрион состоит из воды на 97%. С возрастом ее количество сокращается: в младенчестве до 86%, а у взрослого человека до 60%. Основная часть воды размещена в клетках организма — до 70%, а остальная часть — внеклеточная вода. Кровь человека на 90% состоит из воды.

Функции воды многообразны и практически универсальны — питьевые, технологические, сырьевые, энергетические, транспортные, теплорегулирующие, санитарно-гигиенические и иные. Вода обладает уникальными свойствами, по сравнению с остальными веществами земного происхождения, например, термодинамическими — теплоемкость, константы парообразования и кристаллизации — и физико-химическими — вязкость, достижение максимальной плотности при 4о С, несжимаемость, высокий коэффициент поверхностного натяжения, плавучесть льда, растворяющая способность, возможность формирования щелочной, нейтральной и кислой среды.

Количество воды на планете продолжает увеличиваться. Она попадает на Землю из космоса в составе метеоритов, образуется в высоких слоях атмосферы под действием потоков «солнечного ветра», поступает из мантии, высвобождается из горных пород, синтезируется в ходе промышленных технологических процессов. Есть и обратный процесс. Вода связывается при производстве различных искусственных материалов, ее молекулы распадаются под воздействием космических излучений, уходит из зоны притяжения земли в космическое пространство, образующиеся горные породы забирают воду, выводя ее из общего круговорота. В целом, однако, баланс гидросферы положительный. За последние 500 млн. лет гидросфера увеличилась примерно в 10 раз и продолжает увеличиваться в настоящее время.

Круговорот воды на Земле. Сущность круговорота воды (или гидрологического цикла) заключается в следующем. Под воздействием солнечного тепла вода нагревается и испаряется с поверхностей водоемов, почвы, листьев растений. Переносимые воздушными течениями водяные пары конденсируются и возвращаются на поверхность Земли в виде дождя или снега. Выпавшая в виде осадков вода вновь испаряется и процесс круговорота повторяется.

В биосфере обычно выделяют малый и большой круговорот. Испарение воды с поверхности океана, конденсация водяного пара в атмосфере и выпадение осадков на поверхность океана образуют малый круговорот. При переносе водяного пара воздушными течениями и выпадении осадков на сушу круговорот становится сложнее. Часть выпавших осадков испаряется непосредственно с поверхности почвы и растительного покрова (процесс транспирации) и поступает обратно в атмосферу, другая питает реки, водоемы, подземные воды, но в итоге вновь возвращается в океан речным и подземным стоком, замыкая, таким образом, большой круговорот.

Запасы воды в гидросфере. Вода в разных агрегатных состояниях содержится в самых различных формах водных скоплений (табл. 1). Объем воды Мирового океана превосходит объем суши, расположенной выше его уровня, примерно в 13 раз. Если его распределить равномерно по земной поверхности, то она окажется покрытой слоем воды глубиной 2600 м (в среднем 4−6 км). Общий объем воды на Земле составляет около 1386*106 км3.

Таблица 1.

Запасы воды на Земле (по А. И. Чеботареву).

Мировой океан — значительный стабилизирующий фактор нашей планеты, что обусловлено его большой массой и занимаемой площадью.

Морская вода — сложный солевой раствор, средняя соленость которого составляет 35 г в 1 кг воды. Ее химический состав подобен крови человека, чем воспользовались хирурги во время второй мировой войны, восполняя ею потери крови в результате ранений.

Из-за особых теплофизических свойств воды океан является основным накопителем солнечной энергии на планете. Средняя температура поверхности океана — 17,8 оС, но если бы океан можно было бы равномерно перемешать, то его средняя температура оказалась бы равной 5,7 оС.

Многообразие водных объектов гидросферы представлено на планете семью основными классами: океанами и морями, реками, озерами, болотами, ледниками, водохранилищами и каналами. Структурная и функциональная организация гидросферы довольно сложна и подробное рассмотрение ее выходит за рамки нашего обзора, вместе с тем такой ее показатель, как продолжительность водообмена заслуживает упоминания, так как свидетельствует о потенциальной уязвимости гидросферы в результате антропогенного воздействия. Период полного водообмена составляет: в Мировом океане — 2500 лет; подземных вод различных горизонтов — от 1400 до10 000 лет; ледников — около 10 000 лет; озер — 17 лет; болот — 5 лет; почвенных вод — 1 год; водохранилищ — 0,5 года; рек — 16 суток; атмосферных вод — 8 суток.

В гидрологии и водном хозяйстве используют два понятия — статические и возобновляемые водные ресурсы. Под статическими водными ресурсами понимают практически мгновенные запасы воды, находящиеся в водных объектах, возобновляемыми — те, что ежегодно восстанавливаются в процессе круговорота воды на Земле. Для непосредственного пользования водными ресурсами человеку удобнее всего использовать речной сток. В частности суммарный сток с водосборов 36 самых крупных рек бывшего СССР — около 3524 км³, а Енисей, Обь, Лена, Амур и Волга в сумме дают около 60% этого стока. Речной сток Имеет поверхностную и подземную составляющие, величина последней составляет около 25% всего объема.

Литосфера. Наша планета сформировалась около 4600 млн. лет назад. Твердая земная кора, на которой мы обитаем, по отношению ко всей планете не толще яичной скорлупы. Она составляет 1,5% ее объема и 0,8% массы. Самая верхняя часть земной коры, доступная непосредственному наблюдению достаточно исследована, в то время, как представление о внутреннем строении Земли основаны на косвенных показателях (изучении сейсмических данных).

Толщина земной коры не одинакова — от 70−75 км под высокими горами, до 6−8 км под морским дном. Вместе с самой верхней частью мантии она образует жесткую литосферу, перекрывающую пластичный слой — астеносферу, по которой плиты литосферы могут дрейфовать в боковом направлении.

Земная кора делится на материковую и океаническую. Океаническая кора подстилает материковую, а под океанами несет на себе тонкий покров осадков и лав. Плотность материковой коры — 2,7 г/см3, океанической — 2,9 г/см3.

Горные породы, слагающие земную кору, можно подразделить на три типа:

Изверженные породы — образуются при остывании расплавленной магмы;

Метаморфические — возникают в результате нагрева или сжатия ранее образованных пород; При этом вырастают новые, определенным образом ориентированные кристаллы, поскольку сверхвысокое давление заставляет их расти в определенном, предпочтительном направлении.

Осадочные породы — состоят из обломков более древних пород, подвергшихся выветриванию или эрозии, либо из остатков живых организмов.

Литосфера — основной источник природных ресурсов минерального происхождения. Важность их для жизни и деятельности трудно переоценить. Вместе с тем многие ресурсы, которые обычно оцениваются как «запасы» — уголь, нефть, газ, сапропель, гумус и т. д., являются производными от кругооборота веществ и энергий в природе. Они образовались в результате некоторой, очень малой, несбалансированности круговоротов веществ и энергий, длившихся сотни миллионов лет на протяжении прошлых геологических эпох. Хозяйственная деятельность людей, особенно интенсивная в последнее столетие, изменила направление этого дисбаланса в противоположном направлении. Дальнейшая деятельность человека вполне может ликвидировать часть природных ресурсов, в частности запасы органического топлива за несколько сотен лет.

Особое внимание при рассмотрении природных ресурсов необходимо уделить наиболее важной части литосферы — ее поверхностному слою, который называется почвой. Это слой животворный. В нем сконцентрирована жизненная энергия и сила природы. В. В. Докучаев, российский ученый-почвовед, так определил понятие почвы:"Это суть поверхностно лежащие минерально-органические образования, которые всегда более или менее заметно окрашены гумусом; эти тела всегда имеют собственное происхождение; они всегда и всюду являются результатом совокупной деятельности материковой горной породы, живых и отживших организмов (как растений, так и животных), климата, возраста страны и рельефа местности".

Почва — это связующее звено между растительным и животным миром. Через нее осуществляется связь между биогеоценозами.

Атмосфера. (от греч. Atmos — пар и sphaira — шар) — газовая (воздушная) среда вокруг земли, которая вращается вместе с ней как одно целое. Масса атмосферы составляет около 5,15*10 ¹⁵ тонн. Атмосфера — это один из продуктов общего процесса возникновения и развития Земли, начавшегося много миллионов лет назад и продолжающегося до настоящего времени. Состав атмосферы у поверхности земли приблизительно составляет: азота — 78,1%, кислорода — 21%, аргона — 0,9%, углекислого газа — 0,03%, в незначительном количестве присутствуют водород, гелий, неон и другие газы. Процентное содержание основных газов атмосферы мало меняется до высоты около 100 км. На высоте около 20−25 км расположен слой озона, который предохраняет живые организмы на земле от вредного излучения. В нижних 20 км в атмосфере содержится и водяной пар (у земной поверхности от 3% в тропиках, до 0,2% в Антарктиде, количество которого с высотой быстро убывает), а также твердые и жидкие аэрозольные частицы (пыль, дым, продукты конденсации различных жидкостей.

Атмосферный воздух - жизненно важный компонент окружающей природной среды, представляющий собой естественную смесь газов атмосферы. По существу в нем воплощается вся естественная среда, окружающая человека. Атмосферный воздух в значительной степени и есть та окружающая естественная среда, которую мы охраняем и который выступает посредником между природной средой и человеком. Если загрязняется лес, животные и растительность в лесу, земельный покров и т. д., то они гибнут все. Но для атмосферного воздуха загрязнение, его степень не имеют значения. Он остается всегда атмосферным воздухом, хотя и иного качества.

Давление и плотность воздуха с высотой убывает. Температура воздуха меняется с высотой более сложно, и в зависимости от ее распределения в атмосфере выделяют тропосферу, стратосферу, мезосферу, термосферу, экзосферу. Атмосфера обладает электрическим полем, в ней возникают различные электрические, оптические, акустические явления, в ней рассеивается и поглощается солнечная и земная радиация. Неравномерность нагревания воздуха способствует его общей циркуляции, которая влияет на погоду и климат Земли.

Существование живого организма невозможно вне окружающей среды, частью которой является кислород. Он вездесущ и всемогущ, из него в значительной степени состоит не только воздух и вода, но и мы с вами и половина массы земной коры, которая сложена из кислородосодержащих веществ. Для всех высокоорганизованных живых существ требуется бесперебойное поступление кислорода в организм и примерно одинаковое на единицу массы живого вещества потребление кислорода, чтобы обеспечить сохранение окислительных процессов на должном уровне. Известно, что человек в покое, при минимальном газообмене потребляет около 250 мл кислорода в минуту. При тяжелой мышечной работе потребление кислорода увеличивается в 10 и более раз. Потребление кислорода связано с развитием промышленности и общественного производства. Ежегодное мировое потребление кислорода промышленностью составляет миллионы тонн.

Влияние на атмосферные процессы, особенно на тепловой режим, оказывает озон — трехатомный изотоп кислорода, обладающий большой химической реактивностью и токсичностью. Озон, сосредоточенный в стратосфере, образует озоносферу (озоновый экран), где поглощает ультрафиолетовое излучение солнечной радиации, являющейся главным фактором нагревания воздуха и гибельное для живых организмов. Озоновый экран расположен от 7−8 км на полюсах и 17−18 км на экваторе до 50 км от поверхности Земли, с наибольшей плотностью озона на высотах 20−22 км и характеризуется повышенной концентрацией озона (в 10 раз выше, чем у земной поверхности). Количественные характеристики озонового слоя показательны в сравнении, например, при наземных давлениях и температуре толщина слоя озона составила бы около 0,23−0,52 см.

Средние месячные значения общего содержания озона изменяются в зависимости от широты и времени года. Наблюдается увеличение содержания озона от экватора к полюсу и годовой цикл с минимумом осенью и максимумом весной. Озон — это броня земли, однако сейчас человека подстерегает неожиданная и серьезная опасность — появление озоновых «дыр», представляющих собой значительное пространство в атмосфере с пониженным (до 50%) содержанием озона. К настоящему времени зарегистрирована, от года к году расширяющаяся, озоновая дыра над Антарктидой, выходящая за контуры материка и менее значительные образования в иных местах. Можно спорить о причинах и механизме их появления, но очевидно, что это следствие антропогенного влияния, непродуманной хозяйственной деятельности, в т. ч. использование в ракетных топливах некоторых экологически вредных компонентов (Не является ли главной причиной возникновения озоновой дыры над Архангельской областью деятельность федерального космодрома «Плесецк»?).

Важное место в круговороте веществ и энергий биосферы занимает углекислый газ. Его количество в атмосфере Земли составляет около 2,4*10 ¹² т. Исследования ученых по динамике этого газа в атмосфере показали, что содержание его не претерпело существенных изменений на протяжении довольно продолжительного времени и слабо связано с хозяйственной деятельностью человека. Велико влияние углекислого газа на состояние окружающей природной среды и здоровье человека. Даже кратковременное воздействие при незначительном повышении его концентрации в воздухе (до 3%), приводит к удушью, временной или постоянной утрате жизненных функций, или гибели человека. Возрастание количества углекислого газа в атмосфере создает «парниковый эффект», ведет к потеплению климата, а увеличение мутности атмосферы способствует его похолоданию.

Последующие изменения атмосферы будут, вероятно, зависеть не столько от характера естественной эволюции, сколько от результатов хозяйственной деятельности людей. Эти изменения и будут формировать климат планеты и состояние биосферы в целом.