Общие признаки литосферы, гидросферы, атмосферы, биосферы. Гидросфера, ее состав и структура

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.

38.Парниковый эффект

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.

Тема 1. Экология и окружающая природная среда.

Астрономы предполагают, что Земля вместе с другими планетами возникла около 4,6 млрд. лет назад из одного сжимающегося газопылевого облака, из которого образовалось и Солнце. В соответствии с современными научными взглядами Земля представлена тремя слоями (сферами).

Первый слой - это атмосфера , простирающаяся в Космос. Современная атмосфера планеты по составу относится к азотно-кислородному типу и этим качественно разнится от газовых оболочек всех известных ныне небесных тел, включая планеты Солнечной системы. Атмосфера подразделяется на несколько зон: тропосферу, стратосферу, мезосферу, ионосферу и экзосферу.

1.Тропосфера - нижняя часть атмосферы. В ней сосредоточено более 80% всей массы воздуха. Ее высота определяется интенсивностью вертикальных (восходящих и нисходящих) потоков воздуха, вызванных нагреванием земной поверхности (на экваторе до высоты 16-18 км, в умеренных широтах 10-11км, на полюсах до 8 км). Тропосфера характеризуется понижением температуры воздуха с высотой, в среднем на 0,6 К через каждые 100 м.

2.Стратосфера располагается выше тропосферы, до высоты 50-55 км, и отличается повышением температуры у ее верхней границы. Это связано с наличием здесь пояса озона, интенсивно поглощающего световое излучение ультрафиолетового спектра. Одновременно озоновый слой защищает поверхность Земли от губительного воздействия этой части излучения Солнца.

3.Мезосфера простирается до высоты 80 км. В ней наблюдается резкое понижение температуры (до -75-90°С) и образование серебристых облаков, состоящих из ледяных кристаллов.

4.Ионосфера (термосфера) достигает высоты 800 км. Для нее характерно значительное повышение температуры (до 1000°С и более). Под прямым воздействием ультрафиолетового излучения газ здесь присутствует в ионизированном состоянии, что способствует многократному отражению радиоволн, обеспечивающих дальнюю радиосвязь на Земле.

5.Экзосфера находится на высоте от 800 до 2000-3000 км и имеет температуру свыше 2000°С. Скорость движения газов в ней приближается к критической (11,2 км/с). Они представлены в основном водородом и гелием, образующими вокруг Земли корону, простирающуюся до высоты 20 тыс. км.

Вторая сфера – литосфера – верхняя твердая оболочка Земли, включает земную кору и верхнюю мантию. Мощность литосферы – 50-100 км, в том числе земной коры – до 75 км на континентах и 10 км под океаном. Исследована лишь верхняя часть земной коры (около 5% ее объема). На 47-49% она состоит из кислорода, на 27-28% из кремния, на 8% из алюминия. Они составляют основу песчано-глинистых минералов, доля которых в коре достигает 80-85%. Эти же элементы, а также железо, кальций, натрий, калий, магний и титан образуют 99,6% массы земной коры. На долю остальных 105 известных химических элементов приходится только 0,4%. Жизнь в литосфере концентрируется только в поверхностном слое земной коры, то есть в почве. Почва - это верхние наружные уровни горных пород, измененные под влиянием воды, воздуха и деятельности живых организмов, это смесь остатков живых организмов и косных (неорганических) веществ, обладающая таким свойством как плодородие. Мощность почвы невелика: от 30 см в тундре до 160 см – в западных черноземах.

Следующий за корой слой Земли толщиной около 2880 км известен как мантия. Предполагают, что она в основном сложена плотными силикатными породами. Третий слой толщиной порядка 3500 км называют ядром. По-видимому, оно состоит из внешнего жидкого слоя толщиной около 2080 км и твердой центральной части из никеля и железа при температуре 6400 К.

Большую часть поверхности нашей планеты занимает третья сфера или гидросфера , включающая все типы водоемов. В наиболее общем виде гидросферу делят на Мировой океан, континентальные и подземные воды.

В Мировом океане сосредоточена основная масса воды. Его средняя глубина составляет более 4000 м, он занимает площадь, равную 71% поверхности земного шара, и отличается высокой соленостью. Континентальные водоемы покрывают около 5% площади Земли. Из них на долю поверхностных вод (озера, реки, болота) приходится весьма малая часть (0,2%), ледников - 1,7%.

В верхней части земной коры находятся обширные запасы подземных вод, которые составляют около 4% общего объема гидросферы. Пресные воды залегают до глубины 150-200 м, ниже они переходят в солоноватые. Подземные воды включают в себя также лед в толще многолетней мерзлоты.

Свободные воды гидросферы по вертикали делятся на две зоны. Верхняя зона - эуфотическая, определяется глубиной проникновения солнечного света (в среднем 200 м). В этой зоне протекает деятельность фотосинтезирующих организмов (растений, некоторых бактерий). В нижних слоях, куда не проникает солнечный свет, - афотической зоне - обитают живые организмы, использующие готовые органические вещества, синтезированные организмами эуфотической зоны. Весь планетный запас воды достигает 1450 млн. км 3 .

Гидросфера тесно связана с литосферой (подземные воды), атмосферой (пары воды) и живым веществом, в состав которого вода входит в качестве обязательного компонента. Она выступает в роли универсального растворителя практически всех веществ, взаимодействует со многими из них. Это взаимодействие обеспечивает обмен веществ, например, между сушей и океаном, организмами и окружающей средой.

Кроме названных, выделяют еще одну весьма своеобразную оболочку Земли, которую называют биосферой , это область распространения жизни на Земле, охватывающая несколько населенных организмами геосфер: тропосферу, гидросферу и часть литосферы (до 3 км). Биосфера представляет собой совокупность частей земных оболочек, которая заселена живыми организмами, находится под их воздействием и занята продуктами их жизнедеятельности.

Биосфера состоит из нескольких типов веществ:

1. живое вещество - совокупность всех живых организмов на планете (растений, животных, микроорганизмов).;
2. биогенное вещество - вещество, создаваемое и перерабатываемое живыми организмами на протяжении геологической истории (каменный уголь, битумы, известняки, нефть);
3. косное вещество (твердое, жидкое, газообразное) - вещество неорганического происхождения, т.е. образуемое в процессах, в которых живое вещество не участвует;
4. биокосное вещество - вещество, которое создается одновременно в процессах жизнедеятельности живых организмов и в процессах неорганической природы, причем организмы играют ведущую роль (сюда относится почти вся вода биосферы, почвы, илы);
5. вещество, находящееся в процессе радиоактивного распада (радиоактивные элементы);
6. рассеянные атомы, непрерывно образующиеся из различных видов земного вещества под влиянием космического излучения;
7. вещество космического происхождения (космическая пыль, обломки метеоритов и т.д.).

К основным признакам живого относятся:

1.Единство химического состава . В живых организмах 98% химического состава приходится на 6 элементов (макробиогены): около 60% кислорода, около 20% углерода, около 10% водорода, 3% азота, 3,5% кальция и 1% фосфора.

2.Живые системы содержат совокупность сложных биополимеров (белки, нуклеиновые кислоты, ферменты, витамины и др.).

3.Это открытые системы , то есть системы, которые не могут существовать без постоянного притока энергии в виде пищи, света и т.п. (используют внешние источники энергии). Все живые системы способны к обмену веществами с окружающей средой, поглощая из нее вещества, необходимые для питания, и выделяя во внешнюю среду продукты жизнедеятельности.

Через живые организмы проходят потоки энергии и веществ, в результате чего в системах осуществляется обмен веществ – метаболизм (от греч. – превращение.).

Метаболизм включает процессы анаболизма (синтез веществ) и катаболизма (распад сложных веществ). В процессах анаболизма под действием ферментов происходит синтез сложных веществ из более простых с накоплением энергии (фотосинтез).

При катаболизме происходит высвобождение энергии, заключенной в химических связях крупных органических молекул, и накопление ее в форме богатых энергией фосфатных связей аденозинтрифосфорной кислоты (дыхание, брожение). Конечными продуктами катаболизма являются углекислый газ, вода, аммиак и т.д. Обмен веществ обеспечивает постоянство химического состава внутренней среды организма (гомеостаз) и, как следствие, постоянство его функционирования в непрерывно меняющихся условиях окружающей среды.

4.Живые системы – высокоорганизованные и упорядоченные системы , они устойчивы при жизни и быстро разлагаются после смерти.

5.Жизнь на Земле проявляется в виде дискретных форм . Дискретность живого означает, что отдельный организм или сообщество организмов состоят из отдельных изолированных, но тесно связанных и взаимодействующих между собой частей, образующих структурно-функциональное единство.

6.Живые системы – самовоспроизводящиеся системы . В основе самовоспроизведения лежит образование новых молекул и структур по генетической программе, которая заложена в ДНК клеток.

Наследственность – способность организмов передавать свои признаки, свойства и способности развития из поколения в поколение.

7.Живые системы – самоуправляющиеся, саморегулирующиеся и самоорганизующиеся системы.

Саморегуляция – свойство живых систем автоматически устанавливать и поддерживать на определенном уровне те или иные показатели системы (рН, температуру, содержание воды, углекислого газа и т.д.), т.е. обеспечивать гомеостаз.

Самоорганизация – свойство живой системы приспосабливаться к изменяющимся условиям внешней среды за счет изменения структуры своей системы управления. Это изменение происходит в процессе переработки поступающей из внешней среды информации, т.е. живые системы самоуправляющиеся .

8.Живые системы способны к росту и развитию . Рост – увеличение в размерах и массе с сохранением общих черт и качеств системы. Рост живой системы сопровождается развитием , то есть возникновением новых качеств и черт.

9.Историческое развитие , то есть необратимое и направленное развитие живой природы, сопровождается образованием новых видов и прогрессивным усложнением формы жизни от оплодотворения до смерти. Историческое развитие живых систем связано с их изменчивостью.

Изменчивость – свойство, противоположное наследственности и связанное с приобретением организмом новых свойств и признаков под воздействием внешних факторов в результате самоуправления.

10.Живым организмам характерна ритмичность , то есть периодические изменения интенсивности физиологических функций с различными периодами колебаний (суточные ритмы сна и бодрствования, сезонные ритмы активности и спячки некоторых млекопитающих).

11.Живая система – динамическая система , которая активно воспринимает и преобразует молекулярную информацию с целью самосохранения.

Взаимодействие живых организмов с компонентами биосферы (литосферой, атмосферой, гидросферой) происходит путем обмена, питания, дыхания и выделения продуктов метаболизма. Все организмы неодинаковы с точки зрения накопления ими веществ и энергии. Растения используют солнечную энергию, осуществляя процесс фотосинтеза, а животные потребляют органические вещества, созданные растениями - фотосинтетиками. Поэтому все живые организмы по способу питания можно разделить на два класса: автотрофные и гетеротрофные организмы.

Автотрофные , т.е. самопитающиеся, - поглощают энергию Солнца и вещества из окружающей среды, создают органические вещества из неорганических. К ним относятся зеленые растения, водоросли и некоторые бактерии. По источнику энергии автотрофы подразделяют:

1.Фотоавтотрофы осуществляют процесс превращения воды и углекислого газа в сахара с выделением в качестве побочного продукта - кислорода (фотосинтез).

2.Хемоавтотрофы для синтеза органических веществ используют химическую энергию (серо- и железобактерии – при окислении соединений серы и железа), они играют значительную роль только в экосистемах подземных вод.

Гетеротрофные организмы, т.е. питаемые другими, - используют в качестве пищи готовые органические вещества, т.е. они питаются другими животными организмами, растениями или их плодами. К ним относятся травоядные, хищники и человек.

Выделяют иногда еще миксотрофные организмы, которые в зависимости от условий внешней среды могут сочетать автотрофный и гетеротрофный режим питания. Например, водные одноклеточные организмы при хорошей освещенности питаются автотрофно, а в темноте переходят к гетеротрофному способу.

Живое вещество также подразделяется:

1.Однородное – биомасса организмов одного вида или рода.

2.Разнородное – биомасса особей разных видов, населяющих данную экосистему.

3.Репродуктивное вещество – живые организмы, благодаря которым жизнь в биосфере постоянно воспроизводится.

4.Соматическое вещество – организмы, уже не способные воспроизводить себе подобных.

Живые системы обладают совокупностью следующих функций:

1.Питание . Пища нужна всем живым системам как источник энергии и веществ, необходимых для строительства органов (процесс анаболизма).

2.Дыхание – процесс катаболизма.

3.Выделение – выведение из организма конечных продуктов обмена.

4.Раздражимость – реагирование на изменение внешней и внутренней среды (голод, жажда, холод). Реакция многоклеточных животных на раздражение осуществляется с участием нервной системы и называется рефлексом .

5.Размножение .

6.Рост – в отличие от кристаллов, растущих снаружи, живые системы растут как бы изнутри, включая питательные вещества в структуру своего тела.

7.Подвижность – перемещение в пространстве всей системы и движение внутри системы (кровь у животных).

К свойствам живого вещества относят:

1.Способность быстро осваивать все свободное пространство (всюдность жизни ).

2.Способность двигаться не только пассивно (под действием гравитации), но и активно (против течения воды, силы тяжести и т.д.).

3.Устойчивость при жизни и быстрое разложение после смерти.

4.Высокая приспособительная способность (адаптация) к разным условиям и в связи с этим освоение не только всех сред жизни (водной, воздушной, почвенной), но и трудных по физико-химическим параметрам условий (температурным, радиационным и др.).

5.Очень большая скорость протекания реакций, она на несколько порядков выше, чем в неживом веществе.

6.Высокая скорость обновления живого вещества (в среднем для биосферы 8 лет, при этом для суши – 14 лет, а для океана – 33 дня).

В соответствии с учением В.И. Вернадского, биосферу можно разделить на три подсферы:

1.Аэробиосфера населена аэробионтами, основой жизни которых является влага воздуха. В аэробиосфере выделяют слой тропобиосферы – от вершин деревьев до высоты наиболее частого расположения кучевых облаков. Выше тропобиосферы лежит слой альтобиосферы , где концентрация микроорганизмов очень небольшая. Над слоем альтобиосферы находится пространство, куда микроорганизмы проникают случайно, и в этом слое они не размножаются – парабиосфера .

2. В гидробиосфере выделяют три слоя в зависимости от интенсивности проникающего солнечного света:

-фотосфера – относительно ярко освещенный слой;

-дисфотосфера – проникает до 1% солнечного света;

-афтосфера – слой абсолютной темноты, где фотосинтез невозможен.

3.Геобиосфера включает:

-террабиосферу – область жизни на поверхности суши, которая подразделяется на фитосферу (от поверхности Земли до верхушек деревьев) и педосферу (почвы и лежащие под ними подпочвы);

-литобиосферу – жизнь в глубинах Земли в порах горных пород. Жизнь в толще литосферы существует в основном в подземных водах.

К основным свойствам биосферы относят:

1.Биосфера способна аккумулировать солнечную энергию и превращать ее в энергию химических связей органических соединений.

2.Биосфера – целостная система , она обусловлена непрерывным обменом веществ и энергии между ее составными частями.

3.Биосфера – централизованная система , центром ее являются живые организмы.

4.Биосфера – открытая система . Ее существование невозможно без постоянного притока солнечной энергии.

5.Биосфера – саморегулирующая система , для которой характерна организованность, способность поддерживать исходное состояние, т.е. после различных нарушений возвращаться в первоначальное состояние (это свойство называется гомеостазом ).

6.Биосфера проявляет ритмичность – повторяемость во времени тех или иных явлений. В природе существуют ритмы разной продолжительности. Основные из них – суточные, годовые, внутривековые и сверхвековые.

7.Биосфера обладает горизонтальной зональностью и высокой поясностью .

Горизонтальная зональность – закономерное изменение природной среды по направлению от экватора к полюсам. Зональность обусловлена неодинаковым количеством поступающей на разные широты тепла в связи шарообразной формой Земли. Наиболее крупные зональные подразделения – географические пояса .

8.Биосфера – глобальная многоэлементная система , характеризующаяся большим разнообразием. Это разнообразие обусловлено совокупностью большого количества экосистем со свойственным им видовым разнообразием.

9.Важнейшее свойство биосферы – обеспечение круговорота веществ и неисчерпаемости отдельных химических элементов и их соединений. Нарушение или тем более разрушение природных круговоротов химических элементов может привести к коллапсу биосферы.

10.Биосфера – живая открытая система . Она обменивается энергией и веществом с внешним миром. Применительно к биосфере внешний мир – это космическое пространство.

К биосфере относят прежде всего те участки, где есть условия для выживания и размножения живых существ – это поле существования жизни . К ним прилегают территории, в которых живые организмы лишь выживают, они не могут размножаться. Эти территории называются полем устойчивости жизни .

Поле существования жизни определяется:

1) достаточным количеством кислорода, углекислого газа и воды;

2) благоприятной температурой;

3) прожиточным минимумом минеральных веществ.

Наибольшая концентрация жизни в биосфере наблюдается на границах соприкосновения земных оболочек: атмосферы и литосферы (поверхность суши), атмосферы и гидросферы (поверхность океана), гидросферы и литосферы (дно океана), и особенно на границе трех оболочек – атмосферы, гидросферы и литосферы (прибрежные зоны). Эти места наибольшей концентрации жизни В.И. Вернадский назвал пленками жизни . Вверх и вниз от этих поверхностей концентрация живой материи уменьшается.

Существует пять интегральных биохимических функций биосферы, и в том числе, живого вещества:

1.Энергетическая функция выполняется в основном растениями. В основе этой функции лежит процесс фотосинтеза, т.е. аккумулирование зелеными растениями солнечной энергии и дальнейшее ее перераспределение между остальными компонентами биосферы.

2.Средообразующая функция состоит в трансформации химических параметров среды в условия, благоприятные для существования организмов. Она обеспечивает газовый состав атмосферы, состав осадочных пород литосферы и химический состав гидросферы, баланс веществ и энергии в биосфере, восстановление нарушенных человеком условий обитания. Средообразующая функция включает:

-Газовая функция обеспечивает газовый состав биосферы в процессах миграции и превращения газов, большая часть которых имеет биогенное происхождение. Выделяется несколько газовых функций: кислородно-углекислотная (процесс фотосинтеза), углекислотная (процесс дыхания), азотная (выделение азота азотденитрофицирующими бактериями).

-Деструктивная функция обуславливает процессы, связанные с разложением мертвой органики, с химическим разрушением горных пород и вовлечением образовавшихся веществ в биотический круговорот. В результате этого образуются биокосные и биогенные вещества, происходит минерализация органики, т.е. превращение ее в косное вещество.

-Концентрационная функция заключается в избирательном извлечении и накоплении живыми организмами биогенных элементов окружающей среды, обуславливая большую разницу в составе живого и косного вещества планеты. Благодаря этой функции живые организмы могут служить для человека источником, как полезных веществ (витаминов, аминокислот), так и опасных для здоровья (тяжелых металлов, радиоактивных элементов и ядохимикатов).

-Окислительно-восстановительная функция живых организмов проявляется в окислении с участием бактерий, грибов всех бедных кислородом соединений в почве, коре выветривания и гидросфере. В результате восстановительной деятельности анаэробных микроорганизмов в заболоченных почвах, практически лишенных кислорода, образуются окисленные формы железа.

3.Транспортная функция – перенос вещества и энергии в результате движения живых организмов. Часто такой перенос осуществляется на громадное расстояние, например при перелете птиц.

4.Информационная функция . Живые организмы способны воспринимать, хранить и перерабатывать молекулярную информацию и передавать ее последующим поколениям.

5.Рассеивающая функция – рассеивание веществ в окружающей среде. Она проявляется через трофическую и транспортную деятельность организмов, например рассеивание токсичных веществ, рассеивание веществ при выделении организмами экскрементов.

Условием существования и развития биосферы является круговорот биологически важных веществ. Солнечная энергия обеспечивает на Земле два круговорота веществ: геологический, или большой, и малый, биологический.

Геологический круговорот четко проявляется на примере круговорота воды и циркуляции атмосферы. По оценкам, до половины поступающей от Солнца энергии расходуется на испарение воды. Ее испарение с поверхности Земли компенсируется выпадением осадков. При этом из Океана воды испаряется больше, чем возвращается с осадками, а на суше происходит обратное - осадков выпадает больше, чем испаряется воды. Излишки ее стекают в реки и озера, а оттуда - снова в Океан. Наряду с водой в геологическом круговороте с одного места в другое переносятся и минеральные вещества.

С появлением живого начала на базе геологического, или абиотического, круговорота возникает биологический круговорот. Под биологическим круговоротом понимается поступление химических элементов из почвы и атмосферы в живые организмы, превращение в них поступающих элементов в новые сложные соединения с последующим их возвращением в почву и атмосферу, а также воду.

С момента появления на Земле человека начинается формирование новой геологической оболочки – ноосферы (от греч. - разум), то есть сферы разума. Это понятие было введено французским математиком и философом Э. Леруа в 1927 г. Ноосфера рассматривается как высшая стадия развития биосферы, связанная с возникновением в ней цивилизованного общества.

2. Понятие о научной дисциплине "Экология".

Термин «экология» (от гр. oikos - дом, родина и logos - наука) предложил немецкий биолог Э.Геккель (1866 г.), это наука об отношениях растительного мира, животных организмов, человека и образуемых ими сообществ между собой и окружающей средой.

Исходя из определения, что экология - совокупность научных и практических проблем взаимоотношений человека и природы, ее можно разделить на экологию общую и прикладную.

К общей экологии следует отнести разделы, изучающие антропосное воздействие на живое вещество (биоэкология) и биокосное вещество (геоэкология) и их ответные реакции на это воздействие.

В биоэкологии при делении по уровню организации живого можно выделить молекулярную экологию, морфологическую экологию (клеток и тканей) и аутоэкологию, изучающую живое вещество на уровне особи. При делении по типу структурирования живого в биологической системе биоэкологию можно разделить на экологию многоклеточных организмов (грибов, растений и животных) и одноклеточных (микроорганизмов).

К предмету геоэкологии относятся проблемы взаимодействия в системе антропос - биокосное вещество. Принимая за признак деления агрегатное состояние этого вещества, получим, например, деление геоэкологии на экологию суши, гидросферы и атмосферы.

К области прикладной экологии необходимо отнести следующие вопросы: выработка общих решений, прогнозов и рекомендаций, касающихся путей выхода из глобальных кризисных ситуаций экологического характера; разработка конкретных управленческих, юридических, технологических и экономических решений, улучшающих экологические параметры развития общества. Исходя из сказанного, прикладную экологию можно разделить на экологию глобальных кризисных проблем и экологию природопользования.

К глобальным кризисным относятся, например, проблемы парникового эффекта и озонового слоя Земли. Экологию природопользования составляют экология промышленная, сельскохозяйственная, промысловая, быта и т.д.

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.

Планета Земля состоит из литосферы (твердое тело), атмосферы (воздушная оболочка), гидросферы (водная оболочка) и биосферы (сфера распространения живых организмов). Между этими сферами Земли существует тесная взаимосвязь, обусловленная круговоротом веществ и энергии.

Литосфера. Земля представляет собой несколько сплюснутый у полюсов шар, или сфероид, с длиной окружности по экватору около 40 000 км.

В строении земного шара выделяют следующие оболочки, или геосферы: собственно литосферу (наружную каменную оболочку) мощностью около 50...120 км, мантию, простирающуюся до глубины 2900 км и ядро - от 2900 до 3680 км.

По наиболее распространенным химическим элементам, входящим в состав оболочки Земли, ее делят на верхнюю - сиаллитную, которая распространяется до глубины 60 км и имеет плотность 2,8...2,9 г/см, и симатическую, простирающуюся до глубины 1200 км и имеющую плотность 3,0...3,5 г/см 3 . Названия «сиаллитная» (сиал) и «симатическая» (сима) оболочки произошли от обозначений элементов Si (кремний), Аl (алюминий) и Mg (магний).

На глубине от 1200 до 2900 км находится промежуточная сфера, имеющая плотность 4,0...6,0 г/см 3 . Эту оболочку называют «рудной», так как в ней в большом количестве содержатся железо и другие тяжелые металлы.

Глубже 2900 км находится ядро земного шара радиусом около 3500 км. Ядро состоит в основном из никеля и железа и имеет большую плотность (10...12 г/см 3).

По физическим свойствам земная кора неоднородна, ее подразделяют на континентальный и океанический типы. Средняя мощность континентальной земной коры составляет 35...45 км, максимальная - до 75 км (под горными массивами). В верхней части ее залегают осадочные породы мощностью до 15 км. Эти породы образовались в течение длительных геологических периодов в результате смены морей сушей, изменения климата. Под осадочными породами располагается гранитный слой мощностью в среднем 20...40 км. Наибольшая мощность этого слоя в районах молодых гор, к периферии материка она уменьшается, а под океанами гранитный слой отсутствует. Под гранитным слоем находится базальтовый слой мощностью 15...35 км, он сложен базальтами и сходными с ними породами.

Океаническая земная кора имеет меньшую мощность, чем континентальная (от 5 до 15 км). Верхние слои (2...5 км) состоят из осадочных пород, а нижние (5... 10 км) - из базальта.

Материальной основой почвообразования служат осадочные породы, находящиеся на поверхности земной коры, небольшое участие в образовании почв принимают магматические и метаморфические породы.

Основную массу горных пород образуют кислород, кремний и алюминий (84,05 %). Если к этим трем элементам прибавить еще пять - железо, кальций, натрий, калий и магний, то в сумме они составят 98,87 % массы пород. На остальные 88 элементов приходится немногим более 1 % массы литосферы. Однако несмотря на малое содержание микро- и ультрамикроэлементов в породах и почвах, многие из них имеют большое значение для нормального роста и развития всех организмов. В настоящее время большое внимание уделяется содержанию в почве микроэлементов как в связи с их значением в питании растений, так и в связи с проблемами охраны почв от химического загрязнения. Состав элементов в почвах в основном зависит от их состава в горных породах. Однако содержание некоторых элементов в горных породах и образовавшихся на них почвах несколько изменяется. Это связано как с концентрацией элементов питания, так и с ходом почвообразовательного процесса, при котором происходит относительная убыль ряда оснований и кремнезема. Так, в почвах содержится больше, чем в литосфере, кислорода (соответственно 55 и 47 %), водорода (5 и 0,15 %), углерода (5 и 0,1 %), азота (0,1 и 0,023 %).

Атмосфера. Граница атмосферы проходит там, где сила земного притяжения компенсируется центробежной силой инерции, обусловленной вращением Земли. Над полюсами она расположена на высоте примерно 28 тыс. км, а над экватором - 42 тыс. км.

Атмосфера состоит из смеси различных газов: азота (78,08 %), кислорода (20,95 %), аргона (0,93 %) и диоксида углерода (0,03 % по объему). В состав воздуха также входят в небольшом количестве гелий, неон, ксенон, криптон, водород, озон и др., которые в общей сложности составляют около 0,01 %. Кроме того, в воздухе содержатся водяные пары и некоторое количество пыли.

Атмосфера состоит из пяти основных оболочек: тропосферы, стратосферы, мезосферы, ионосферы, экзосферы.

Тропосфера - нижний слой атмосферы, имеет толщину над полюсами 8...10км, в умеренных широтах - 10...12 км, а в экваториальных широтах - 16...18 км. В тропосфере сосредоточено около 80 % массы атмосферы. Здесь находится почти весь водяной пар атмосферы, формируются осадки и происходит горизонтальное и вертикальное перемещение воздуха.

Стратосфера распространяется от 8... 16 до 40...45 км. Она включает около 20 % атмосферы, водяной пар в ней почти отсутствует. В стратосфере имеется слой озона, который поглощает ультрафиолетовое излучение солнца и защищает от гибели живые организмы на Земле.

Мезосфера простирается на высоте от 40 до 80 км. Плотность воздуха в этом слое в 200 раз меньше, чем у земной поверхности.

Ионосфера располагается на высоте 80 км и состоит в основном из заряженных (ионизированных) атомов кислорода, заряженных молекул оксида азота и свободных электронов.

Экзосфера представляет собой внешние слои атмосферы и начинается с высоты 800...1000 км от поверхности Земли. Эти слои еще называют сферой рассеяния, так как здесь частицы газов движутся с большой скоростью и могут ускользать в космическое пространство.

Атмосфера - это один из незаменимых факторов жизни на Земле. Солнечные лучи, проходя через атмосферу, рассеиваются, а также частично поглощаются и отражаются. Особенно сильно поглощают тепловые лучи водяной пар и диоксид углерода. Под действием солнечной энергии происходит перемещение воздушных масс, формируется климат. Выпадающие из атмосферы осадки являются фактором почвообразования и источником жизни растительных и животных организмов. Содержащийся в атмосфере диоксид углерода в процессе фотосинтеза зеленых растений превращается в органическое вещество, а кислород служит для дыхания организмов и окислительных процессов, происходящих в них. Велико значение азота атмосферы, который улавливается азотофиксирующими микроорганизмами, служит элементом питания растений и участвует в образовании белковых веществ.

Под действием атмосферного воздуха происходят выветривание горных пород и минералов и почвообразовательные процессы.

Гидросфера. Большую часть поверхности земного шара занимает Мировой океан, который вместе с озерами, реками и другими водоемами, располагающимися на земной поверхности, занимает 5/8 ее площади. Все воды Земли, находящиеся в океанах, морях, реках, озерах, болотах, а также подземные воды составляют гидросферу. Из 510 млн км 2 поверхности Земли 361 млн. км 2 (71%) приходится на Мировой океан и только 149 млн. км 2 (29 %) - на сушу.

Поверхностные воды суши вместе с ледниковыми составляют около 25 млн км 3 , то есть в 55 раз меньше объема Мирового океана. В озерах сосредоточено около 280 тыс. км 3 воды, примерно половина приходится на пресные озера, а вторая половина - на озера с водами различной степени засоленности. В реках содержится всего лишь 1,2 тыс. км 3 , то есть менее 0,0001 % общего запаса воды.

Воды открытых водоемов находятся в постоянном круговороте, что связывает все части гидросферы с литосферой, атмосферой и биосферой.

Атмосферная влага активно участвует в водообмене, при объеме в 14 тыс. км 3 она образует 525 тыс. км 3 осадков, выпадающих на Землю, а смена всего объема атмосферной влаги происходит каждые 10 сут, или 36 раз в течение года.

Испарение воды и конденсация атмосферной влаги обеспечивают наличие пресной воды на Земле. С поверхности океанов ежегодно испаряется около 453 тыс. км 3 воды.

Без воды наша планета представляла бы собой голый каменный шар, лишенный почвы и растительности. Миллионы лет вода разрушала горные породы, превращая их в рухляк, а с появлением растительности и животных способствовала процессу почвообразования.

Биосфера. В состав биосферы входят поверхность суши, нижние слои атмосферы и вся гидросфера, в которых распространены живые организмы. Согласно учению В. И. Вернадского, под биосферой понимают оболочку Земли, состав, структура и энергетика которой обусловлены деятельностью живых организмов. В. И. Вернадский указывал, что «на земной поверхности нет химической силы, более постоянно действующей, поэтому более могущественной, чем живые организмы, взятые в целом». Жизнь в биосфере развивается в виде исключительного разнообразия организмов, населяющих почву, нижние слои атмосферы и гидросферу. Благодаря фотосинтезу зеленых растений в биосфере аккумулируется солнечная энергия в форме органических соединений. Вся совокупность живых организмов обеспечивает миграцию химических элементов в почвах, в атмосфере и гидросфере. Под действием живых организмов в почвах происходят газообмен, окислительные и восстановительные реакции. С газообменной функцией организмов связано происхождение атмосферы в целом. В процессе фотосинтеза в атмосфере произошло образование и накопление свободного кислорода.

Под влиянием деятельности организмов осуществляются выветривание горных пород и развитие почвообразовательных процессов. Почвенные бактерии участвуют в процессах десульфофикации и денитрификации с образованием сероводорода, сернистых соединений, оксида N(II), метана и водорода. Построение растительных тканей происходит благодаря избирательному поглощению биогенных элементов растениями. После отмирания растений эти элементы накапливаются в верхних горизонтах почвы.

В биосфере протекают два противоположных по своей направленности круговорота веществ и энергии.

Большой, или геологический, круговорот происходит под влиянием солнечной энергии. В круговорот воды вовлекаются химические элементы суши, которые поступают в реки, моря и океаны, где они откладываются вместе с осадочными породами. Это безвозвратная потеря из почвы важнейших элементов питания растений (азота, фосфора, калия, кальция, магния, серы), а также микроэлементов.

Малый, или биологический, круговорот происходит в системе почва - растения - почва, при этом из геологического круговорота изымаются элементы питания растений и сохраняются в гумусе. При биологическом круговороте происходят циклы, связанные с кислородом, углеродом, азотом, фосфором и водородом, которые непрерывно циркулируют в растениях и окружающей среде. Часть из них изымается из биологического круговорота и под действием геохимических процессов переходит в осадочные породы или переносится в океан. Задача земледелия заключается в создании таких агротехнических систем, в которых биогенные элементы не поступали бы в геологический круговорот, а закреплялись в биологическом круговороте, поддерживая почвенное плодородие.

Биосфера состоит из биоценозов, представляющих собой однородную территорию с однотипным растительным сообществом вместе с населяющим ее животным миром, включая микроорганизмы. Биогеоценоз характеризуется свойственными для него почвами, водным режимом, микроклиматом и рельефом. Естественный биогеоценоз относительно устойчив, для него характерна саморегулирующая способность. Виды, входящие в биогеоценоз, приспосабливаются друг к другу и окружающей среде. Это сложный относительно устойчивый механизм, способный путем саморегулирования противостоять изменениям в среде. Если изменения в биогеоценозах превышают их саморегулирующую способность, то может наступить необратимая деградация этой экологической системы.

Сельскохозяйственные земли являются искусственно организованными биогеоценозами (агробиоценозы). Эффективное и рациональное использование агробиоценозов, их устойчивость и продуктивность зависят от правильной организации территории, системы земледелия и других социально-экономических мероприятий. Для обеспечения оптимального воздействия на почвы и растения необходимо знать все взаимосвязи в биогеоценозе и не нарушать экологическое равновесие, сложившееся в нем.