Тема 4. Биосфера – глобальная экосистема Земли

Существование жизни на Земле отличает нашу планету от всех планет Солнечной системы, т.к. нигде более не выявлено признаков присутствия живых организмов.

Самой большой экосистемой является биосфера – оболочка планеты, заселенная живыми организмами.

Биосфера – «область жизни», пространство на поверхности земного шара, в котором распространены живые существа. Термин был введен в 1875 г австрийским геологом Эдуардом Зюссом. Термин вошел в обиход, не имея четкого определения.

Развернутое учение о биосфере создано и разработано академиком В.И. Вернадским. Принципиальные положения учения В.И. Вернадского о биосфере органически сочетает подходы его предшественников. С одной стороны, он рассматривает биосферу как оболочку Земли, в которой существует жизнь. В этом плане В.И. Вернадский различает газовую (атмосфера), водную (гидросфера) и каменную (литосфера) оболочки земного шара, как составляющие биосферы, области распространения жизни. С другой стороны, В.И. Вернадский подчеркивает, что биосфера – не просто пространство, в котором обитают живые организмы; ее состав определяется деятельностью живых организмов, представляет собой результат их совокупной химической активности в настоящем и прошлом.

Земля и окружающая ее среда сформировалась в результате закономерного развития всей Солнечной системы. Около 4,7 млрд. лет назад образовалась планета Земля. Как и другие планеты, Земля получает энергию от Солнца, достигающую земной поверхности в виде электромагнитного излучения. Солнечное тепло – одно из главных слагаемых климата Земли, основа для развития многих геологических процессов. Огромный тепловой поток исходит из глубин Земли.

По новейшим данным, масса Земли составляет 6·10²¹ т, объем – 1,083·10¹² км³, площадь поверхности – 510,2 млн. км².

Наша планета имеет неоднородное строение и состоит из внешних и внутренних оболочек (геосфер). К внутренним геосферам относится ядро, мантия, а к внешним – литосфера (земная кора), гидросфера, атмосфера и сложная оболочка Земли – биосфера.

Биосфера, охватывающая весь земной шар небеспредельна, ее границы определяются распространением жизни, как по горизонтали, так и по вертикали. Можно утверждать, что жизнь существует на всем земном шаре. Следовательно, горизонтальных границ у биосферы нет и можно говорить только о вертикальном размере биосферы: верхнем, атмосферном и нижнем, литосферном пределах.

Верхняя граница распространения жизни в атмосфере определяется не столь низкими температурами, сколько губительным действием излучения. Высотное распространение микроорганизмов ограничивается в основном ультрафиолетовым излучением Солнца, убивающим все живое.

О нижнем, литосферном, пределе биосферы, ясного представления пока нет, но основным фактором ограничения в данном случае, по-видимому, будет высокая температура.

Толщина биосферы немногим более 20 км (организмы обитают над поверхностью суши не выше 6 км над уровнем моря, опускаются не глубже 15 км в толщу суши и на 11 км в глубь океана). Но основная масса живого вещества сконцентрирована в приповерхностном слое толщиной 50 – 100 м. В этом слое сконцентрировано около 90 % биомассы растений и животных. По сравнению с диаметром Земли (13 тыс. км) биосфера – тонкая пленка, подобная кожице на яблоке. Неравномерность распространения и распределения жизни на Земле и ее разнообразие позволяют выделить структурные единицы биосферы – экогоризонты (по вертикали) и экосистемы (по площади).

Как уже было отмечено, в состав биосферы входят нижняя часть атмосферы, гидросфера и поверхностные слои литосферы, преимущественно подвергшаяся выветриванию с участием живых организмов ее часть – почва. Воздушная, водная и почвенная оболочки земного шара представляют собой не просто пространство, заполненное жизнью, но выступают как основные среды жизни, активно формирующие ее состав и биологические свойства.

Биосфера, являясь глобальной экосистемой, как и любая экосистема, состоит из абиотической и биотической частей.

Абиотическая часть представлена: 1) почвой и подстилающими ее породами до глубины, где в них есть живые организмы, вступающие в обмен с веществом этих пород, и физической средой порового пространства; 2) атмосферным воздухом до высот, на которых возможны еще проявления жизни; 3) водной средой океанов, рек, озер и т. п.

Биотическая часть стоит из живых организмов, осуществляющих важнейшую функцию биосферы, без которой не может существовать сама жизнь: биогенный ток атомов.

0. 4.1 Атмосфера в составе биосферы

   Атмосфера в составе биосферы – газовая среда обитания организмов. До появления фотосинтезирующих организмов она формировалась в основном из вулканических газов. С превращением бескислородной атмосферы в кислородную связаны основные этапы биологической эволюции биосферы. Сегодняшний состав атмосферы существенно отличается от вулканических газов, за счет которых она возникла. Это свидетельствует о том, что в течение геологической истории Земли происходили мощные процессы, изменившие состав ее газовой оболочки. Эти процессы связывают с активностью живого населения биосферы. Расчеты показывают, что в добиологический период атмосфера Земли мало отличалась от близкой к ней по размерам и расстоянию от Солнца Венеры. Первоначально атмосфера Земли состояла из углекислого газа (98 %) и азота (1,5 %).

   Чистый воздух на уровне моря представляет собой механическую смесь нескольких газов. Соотношение между главными составляющими атмосферу газами – азотом (объемная концентрация 78,08 %) и кислородом (20,95%) постоянно. Кроме них, в атмосферном воздухе содержится аргон (0,93 %) и углекислый газ (0,03 %). Количество остальных газов неона, гелия, криптона, ксенона, водорода, йода, угарного газа и оксидов азота – ничтожно мало (менее 0,01 %). Важнейшими компонентами атмосферы являются озон и углекислый газ, которые контролируют функционирование биосферы.

Почти 50 % всей массы атмосферы сосредоточено в нижнем 5-километровом ее слое, 75 % - в 10-километровом и 90 % - в 16-километровом. Выше 3 тыс. км плотность атмосферы мало, чем отличается от плотности межпланетного пространства, хотя следы атмосферы обнаружены на высоте 10 тыс. км.

Озон – трехатомный кислород (О₃) присутствует в атмосфере Земли до высоты 70 км. В приземном слое он образуется под влиянием случайных факторов (грозовые разряды, окисление органического вещества и др.). Озон чрезвычайно ядовит (больше чем угарный газ – СО). В более высоких слоях атмосферы (стратосфере) озон образуется в результате воздействия ультрафиолетового излучения на молекулу кислорода, которая вначале распадается на атомарный кислород (О₂  О + О). В результате этой фотохимической реакции появляется озон (О₂ + О  О₃). Максимальная его концентрация наблюдается на высоте 25 км. Слой максимальной концентрации озона на высоте 20 – 25 км получил название озонового экрана. Озоновый экран имеет громадное значение для сохранения жизни на Земле. В озоновом слое поглощается большая часть, идущего от Солнца, ультрафиолетового излучения с длиной волны меньше 400 нм и поверхности Земли достигает лишь часть ультрафиолетового излучения с длиной волны 280 нм. Благодаря озоновому слою (хотя его толщина, приведенная к нормальным условиям давления атмосферы и температуры на поверхности Земли, составляет около 3 мм) наиболее активная в биологическом отношении часть солнечной радиации не может губительно воздействовать на живые организмы.

В целом озоновый слой поглощает около 13 % солнечной энергии. Благодаря этому поглощению температура в стратосфере (выше 10 км) значительно повышается. Если в тропосфере (до 10 км) температура понижается в среднем на 0,6 ⁰С на каждые 100 м, до –60 ⁰С и более, то в стратосфере, благодаря наличию озона, она повышается, достигая над экватором 0 ⁰С и над полюсами 10 ⁰С. В мезосфере на высоте 75 – 80 км температура вновь понижается до – 80 ⁰С и более.

Колебания количества озона в стратосфере происходят под влиянием естественных причин (изменение интенсивности ультрафиолетового излучения, активности Солнца и др.). Эти вариации, вероятно, являются, одной из причин изменения климата на Земле.

Уменьшение озона в стратосфере связано с антропогенным фактором. Этот газ обладает сильными окислительными свойствами и вступает в активные фотохимические реакции с фреонами, оксидами азота и другими загрязняющими газообразными веществами. В «озоновых дырах» содержание озона меньше, чем в самом экране. Защитные свойства уменьшаются, и при полном исчезновении озона из этой дыры, под ней последует незамедлительная гибель всего живого, включая и человека.

Кроме защиты Земли от ультрафиолетового излучения Солнца, важнейшим свойством атмосферы является аккумуляция тепла, которая вызывает парниковый эффект. Современная средняя температура воздуха у поверхности Земли составляет 14,6 ⁰С и отражает динамическое равновесие между приходящей и уходящей радиацией. Практически единственным энергетическим источником всех природных процессов в биосфере служит солнечная радиация, поставляющая 99,98 % всего тепла на земную поверхность. Его интенсивность равна 1,95 кал/(см²мин) и называется солнечной постоянной. Годовые колебания ее составляют  3,5 %. Нагреваясь за счет поглощения солнечной энергии, земная поверхность становится источником земного, в основном длинноволнового излучения, которое почти полностью поглощается атмосферой. Основным поглотителем этого излучения является водяной пар. Ночью при ясном небе потери тепловой энергии способствуют охлаждению земной поверхности. Из остальных поглотителей длинноволнового излучения следует назвать различные примеси в атмосфере и углекислый газ, который прозрачен для коротковолнового солнечного излучения и непрозрачен для длинноволнового земного.

В качестве основных причин, вызывающих изменение климата, можно назвать непостоянство солнечной активности, изменение магнитного поля Земли и атмосферного электрического поля, вариации концентрации озона и углекислого газа в атмосфере. В частности, похолодание за последние 25 млн. лет связано с уменьшением углекислого газа в атмосфере. Вероятная причина уменьшения углекислого газа обусловлена уменьшением вулканической деятельности.

Антропогенное загрязнение воздушного бассейна углекислым газом не только предотвратило дальнейшее вероятное снижение его концентрации при современной малоактивной вулканической деятельности, но и привело к некоторому его увеличению, усилив «парниковый эффект» атмосферы.