ЛЮДИНА Й СЕРЕДОВИЩЕ ЇЇ ІСНУВАННЯ

1.1. Поняття про біосферу

У будові земної кулі виділяють зовнішні оболонки — атмос­феру й гідросферу, та внутрішні — літосферу (земну кору), мантію та ядро. Земля має геосфери, тобто концентричні оболонки, з яких вона складається. Геосфери мають свої структури, фізичні та хімічні властивості. Крім того, виділяють ще географічну оболонку Землі (епігеосферу) — комплексну оболонку землі, яка існує в шарі взаємодії атмосфери, гідросфери, літосфери й біосфери.

Біосфера (грец. bios — життя, spharia — куля, сфера) — оболонка нашої планети, в якій розвивається життя різноманітних організмів, що населяють воду, повітря, сушу, ґрунт. Вона охоплює нижню частину атмосфери (аеробіосферу) до висоти 25— 30 км (до озонового шару), усю гідросферу (гідробіосферу), тобто річки, моря, океани тощо, верхню частину земної кори (террабіосферу) до глибини 3—5 км і верхні шари літосфери (літобіосферу). Згідно з останніми даними, товщина біосфери становить 40—50 км. Біосфера — активна оболонка Землі, у якій сукупна діяльність живих організмів виявляється як геохімічний фактор планетарного масштабу, що є основою середовищеутворювання. Під терміном і поняттям «біосфера» розуміють як живі організми («живу речовину»), так і середовище їх існування.

За своєю структурою біосфера є результатом взаємодії живої й неживої матерії. Найважливішими компонентами біосфери є:

• жива речовина (рослини, тварини й мікроорганізми);

• біогенна (нежива) речовина (органічні та органікомінеральні продукти, створені живими організмами впродовж геологічної історії — кам’яне вугілля, нафта, торф тощо);

• косна речовина (гірські породи неорганічного походження й вода);

• біокосна речовина (продукти синтезу живого й неживого, тобто опадові породи, ґрунт, мул).

Жива речовина має специфічний хімічний склад. У ній переважають водень (10 %), вуглець, кальцій, азот (1—10 %), кисень (65—70 %), сірка, калій, хлор (0,1—1 %). Загальну масу живої речовини оцінюють у (2,4—3,6)10¹² тонн. Усі компоненти біосфери тісно взаємозв’язані.

Особливістю біосфери є її цілісність та наявність життя. Жива речовина Землі — це найпотужніша сила в біосфері, яка матеріально та енергетично визначає її функції. У результаті безперервної взаємодії (обміну) між компонентами біосфери під впливом живої речовини змінюються як організми, що її населяють, так і середовище, в якому вони живуть. Завдяки живій речовині підтримується взаємозв’язок і взаємозумовленість усіх компонентів біосфери.

Живі організми в біосфері та середовище їх життєдіяльності органічно зв’язані й постійно взаємодіють, утворюючи цілісну динамічну систему, що існує завдяки кругообігу речовин.

Цей багатосторонній і різноманітний зв’язок визначає біосферу як гігантську екологічну систему, в якій людина є, з одного боку, біологічною частиною всієї системи, а з іншого — активним її перетворювачем. Біосфера скінченна, вона має певні визначені геометричні розміри й біологічні можливості. Тому не можна взяти від природи більше, ніж вона може дати.

Наростаюча технічна та енергетична озброєність людства негативно впливає на збалансованість процесів, що проходять у біосфері. Тому сьогодні глобальним завданням є визначення та здійснення допустимих меж впливу на біосферу з метою уникнення екологічної катастрофи. Непродумана виробнича діяльність не тільки підриває основу стійкості та організованості біосфери, а й може призвести до тяжких наслідків.

Кінцева мета людини стосовно біосфери — управління всіма найважливішими процесами, що відбуваються в екологічних системах, тобто перетворення біосфери в ноосферу — сферу розуму.

Ноосфера — вища стадія розвитку біосфери, що характеризується збереженням усіх природних закономірностей, притаманних біосфері, більш високому рівню розвитку господарських сил, наукової організації впливу суспільства на природу, з максимальними можливостями суспільства задовольнити матеріальні та культурні потреби людства.

У науці про ноосферу В. І. Вернадський виокремив думку про те, що геохімічні функції людства характеризуються не його масою, а його виробничою діяльністю. Темп, напрям, характер використання людством біогеохімічної енергії мають визначатися не потребами, а розумом людини. Він, зокрема, писав: «Людство загалом стає потужною геологічною силою. І перед ним, перед його думкою й працею постає питання про перебудову біосфери. Цей новий стан біосфери, до якого ми, не помічаючи цього, наб­лижаємось, і є ноосферою».

Ноосфера — не суспільство, що існує в певному середовищі, це не просто природне середовище, що зазнає сильного впливу людства, а єдине ціле, у якому поєднується суспільство, що розвивається, й перетворене природне середовище. Виникає цілком новий об’єкт, в якому переплітаються закони неживої й живої природи, суспільства й мислення. Ноосфера — новий стан біосфери, що ґрунтується на універсальному зв’язку природи й суспільства, за якого подальшу еволюцію планети Земля спрямовує Розум.

Перехід біосфери в ноосферу розпочався з появою суспільства, розвитку науки й техніки. Нині ноосфера перебуває на етапі становлення.

Завершуючи визначення поняття «біосфера», необхідно сказати, що вона може існувати без людини, водночас життя людини поза біосферою неможливе. Загалом біосфера є глобальною екологічною системою («екосистемою»), а її складові частини — локальними екосистеми.

Наявність атмосфери є необхідною умовою життя на Землі. Кисень в атмосферному повітрі потрібний живим організмам для дихання, а вуглекислий газ — рослинам для розвитку. Озон пог­линає в стратосфері ультрафіолетові промені, які у разі проникнення на земну поверхню в значних кількостях негативно впливали б на живі організми.

Особливо важливою є участь атмосфери в кругообігу води на Землі, перенесенні водяної пари повітряними масами та її послідовна конденсація й випадання у вигляді опадів.

Атмосфера є непоганим передавачем звуку. Крім того, розсію­ючи світло, вона освітлює ділянки земної кулі, куди не потрапляють прямі сонячні промені. Невичерпна енергія вітру відкриває можливість для розвитку вітроенергетики. Людина користується атмосферою для повітряних сполучень, адже швидкість літака значно більша, ніж потягу або пароплава. Нарешті, верхні шари атмосфери — іоносфера, дає людству можливість користуватися далеким радіозв’язком на коротких хвилях.

Атмосфера (грец. аtmos — повітря, spharia — куля, сфера) — природна зовнішня газова (повітряна) оболонка Землі. Вона сягає від поверхні Землі на висоту 1500—2000 км. Різкої верхньої межі атмосфера не має й на значних висотах (майже 20 000 км) переходить у міжпланетне середовище. Її вертикальна протяжність становить близько трьох земних радіусів (середній радіус Землі — 6371 км), а загальна маса атмосфери 5,2710¹⁵ тонн при масі Землі близько 6·10²¹ тонн, тобто менше однієї мільйонної частки маси Землі. Майже 99 % маси атмосфери зосереджено в шарі, розташованому від земної поверхні на висоті 30—35 км. Вона забезпечує фізіологічні процеси дихання, регулює інтенсивність сонячної радіації, захищає живі організми від шкідливої дії космічного випромінювання, утворює клімат планети, підтримує середню температуру поверхні Землі близько +14 С, є джерелом атмо­сферної вологи, а також середовищем, куди видаляються залишкові газоподібні продукти життєдіяльності людей та інших живих істот — вуглекислий газ тощо. Нижня її частина — тропосфера (до 8—15 км від поверхні Землі) є місцем існування аеробіонтів і формування аеробіосфери. Атмосферне повітря в товщі літосфери називають підземною тропосферою.

Через атмосферу проходить фотосинтез та обмін енергії в біосфері. Склад, температура, рух повітряних мас в атмосфері — необхідні умови існування всіх живих організмів на Землі.

Для атмосфери характерна стійка саморегуляція якісного стану. Якість атмосфери, як і інших компонентів біосфери, — узагальнений показник, який свідчить про такий її стан, за якого забезпечується постійний обмін речовини та енергії між живими й неживими компонентами природи, що й зумовлює постійне й безперервне відтворення життя на Землі.

Атмосфера складається із суміші різних газів, яку називають повітрям. Основними компонентами цієї суміші є азот (78 %) і кисень (21 %). У невеликій кількості до складу атмосферного повітря входять аргон, неон, гелій, криптон, водень, озон, ксенон (табл. 1.1).

У складі повітря є гази, такі як водяна пара, вуглекислий газ, метан, окисли азоту та сірки. Крім того, в ньому постійно знаходиться велика кількість дуже маленьких рідких і твердих частинок пилу, диму, сажі, кіптяви, солей, води. У 1 см³ повітря містяться десятки, а в промислових центрах сотні тисяч пилинок.

Атмосферний пил має різне походження. Найбільша його кіль­кість піднімається вітром з поверхні землі. Багато пилу надходить в атмосферу під час вулканічних вивержень, а також руйнування метеоритів.

Завислі в повітрі тверді та рідкі домішки мають велике значення для перебігу різноманітних явищ і процесів, які протікають в атмосфері. Особливо важливу роль відіграють частинки гігроскопічних речовин (наприклад, частинки солі), які служать ядрами конденсації. Завдяки ним водяна пара стає густішою й утворюються краплі води.

Гази й частинки можна розглядати як газові домішки атмо­сферного повітря. Їхня кількість змінюється залежно від місцевості, пори року, погоди, висоти та інших чинників.

Найважливішою змінною складовою частиною атмосфери є водяна пара, кількість якої на поверхні Землі коливається в значних межах: від 0,2—0,3 % за низьких температур над сушею (у полярних районах), до 3—4 % за високих температур над екватором (тропіками). Водяна пара потрапляє в атмосферу в результаті випаровування води з поверхні водойм і ґрунту. Основну її масу зосереджено в тропосфері.

Однією з важливих змінних складових частин атмосфери є вуглекислий газ, кількість якого за останні 100 років зросла приб­лизно на 10 %. Він поглинає теплове випромінювання Землі, створюючи так званий «парниковий ефект».

З віддаленням від поверхні землі атмосфера стає все більш розрядженою й поступово переходить у міжпланетний простір, тому яскраво вираженого зовнішнього кордону атмосфера не має. Раніше умовним кордоном атмосфери вважали ту найбільшу її висоту, на якій спостерігалися будь-які відомі метеорологічні явища.

Залежно від характеру й причин фізичних процесів, що проходять в атмосфері, вона може бути поділена на кілька горизонтальних шарів. В основу такого поділу покладено відмінності у складі повітря, характер взаємодії атмосфери із земною поверхнею й розподіл температури повітря з висотою.

За складом повітря атмосфера поділяється на гомосферу («гомо» — людський) і гетеросферу («гетеро» — різний). У гомосфері (шар від земної поверхні до висоти приблизно 90—100 км) у зв’язку з турбулентним переміщуванням склад сухого повітря, його молекулярна маса з висотою майже не змінюється. У гетеросфері (шар атмосфери вище 90—100 км), що складається з молекул азоту N₂ і кисню О₂, а також атомів О, Не, Н, під дією дифузного розподілу газів і процесу дисоціації молекул склад повітря змінюється: поступово збільшується вміст кисню та змен­шується молекулярна маса. Під час дисоціації гази переходять в атомарний стан. Частина молекул і газів при цьому отримують електричний заряд.

За цим самим принципом в атмосфері виділяють озоносферу (шар щонайбільшої концентрації озону на висоті 20—25 км) та іоносферу. Остання складається з кількох шарів (D — на висоті близько 60 км, Е — на висоті 90—120 км, F — на висоті майже 180 км) з підвищеною концентрацією іонів.

Таблиця 1.1

Приблизний склад атмосфери

Елементи	Вміст у нижніх шарах атмосфери, %
	за обсягом	за масою
Азот	78,084	75,5
Кисень	20,946	23,14
Аргон	0,934	1,28
Неон	0,0018	0,0012
Гелій	0,000524	0,00007
Криптон	0,000114	0,0003
Водень	0,00005	0,000005
Вуглекислий газ	0,034	0,0466
Водяна пара:
у полярних широтах	0,2	—
біля екватора	2,6	—
Озон:
у тропосфері	0,000001	—
у стратосфері	0,001—0,0001	—
Ксенон	0,0000087	—
Метан	0,00016	0,00009
Окcид азоту	0,000001	0,0000003
Окcид вуглецю	0,000008	0,0000078

За видом взаємодії із земною поверхнею атмосферу поділяють на граничний шар (шар тертя) й вільну атмосферу. У граничному шарі, товщина якого становить 1000—1500 м, спостерігається вплив поверхні Землі на добові зміни метеорологічних елементів. У вільній атмосфері тертя немає й вплив земної поверхні майже відсутній.

За характером розподілу температури повітря за вертикаллю атмосфера поділяється на такі основні й перехідні шари (табл. 1.2).

Залежно від географічної широти, пори року й синоптичних процесів межі цих шарів можуть мати значні відхилення від наведених середніх їх значень.

Тропосфера, нижній, найщільніший шар атмосфери, безпосередньо прилягає до земної поверхні. Товщина його в полярних районах 7—10 км, у помірних широтах 10—12 км і в тропіках 16—18 км. Фізичні якості цього шару значною мірою залежать від властивостей підстилаючої поверхні. У тропосфері зосеред­жено 90 % усієї кількості водяної пари, що є в атмосфері.

Таблиця 1.2

Розподіл атмосфери на шари

Основні шари	Середня висота, км	Перехідні шари
Тропосфера	0—11
		Тропопауза
Стратосфера	11—50
		Стратопауза
Мезосфера	50—80
		Мезопауза
Термосфера	80—800
		Термопауза
Екзосфера	Вище 800

Температура в цьому шарі атмосфери зі зростанням висоти знижується в середньому на 0,65 ^С через кожні 100 м. У тропосфері відбуваються найбільші зміни метеорологічних елементів як за горизонталлю, так і за вертикаллю.

Тропосферу умовно можна поділити на три шари. Нижня тропосфера (шар тертя) досягає висоти 1,5—2 км. Тут найбільш різко відчувається тепловий і механічний вплив підстилаючої повер­хні Землі. У ньому добре виражений добовий рух усіх метеорологічних елементів. У нижній тропосфері створюються тумани та хмари нижнього ярусу. Вітер у шарі тертя збільшується з висотою пропорційно натуральному логарифму висоти й повертається праворуч.

Середня тропосфера розташована на висотах 2—6 км.

Верхня тропосфера у помірних широтах простягається в шарі 6—10 км.

Перехідний, вище тропосфери, шар називається тропопаузою. Він є потужним шаром, що затримує процеси, які протікають у тропосфері. Товщина тропопаузи 0,5—2 км. Його природу вив­чено недостатньо. Тут уповільнюється зниження температури. Тропопауза захисною плівкою огортає земну кулю й відіграє позитивну роль у розвитку життя на Землі.

Стратосфера знаходиться на висотах 11—50 км над поверхнею Землі. У ній міститься основна маса озону, який затримує ультрафіолетове випромінювання Сонця, що згубно впливає на Землю. Знищення озонового шару призвело б до підвищення тем­ператури на Землі на десятки градусів, загибелі більшості живих організмів і рослин. Запуск космічних апаратів і господарська діяльність людини зумовлюють зміни в озоновому шарі, й ця проблема вимагає якнайшвидшого вирішення, адже озоновий шар (озоносфера) значно впливає на тепловий режим планети (шар між 20 і 45 км).

У стратосфері температура на висоті 11—30 км майже не змінюється й близька до температури тропопаузи (–50 — –60 ^С). У подальшому вона підвищується до 0 ^С. В стратосфері швидкість вітру досягає 6—10 м/с. і навіть більше, він переважно західного напрямку. Однак влітку на висоті понад 25 км відбувається поворот вітру із західного на східний. Тиск у стратосфері знижується від 170 до 1—2 мм рт. ст. У зв’язку з розрідженням повітря з висотою зменшується можливість застосування авіації.

Мезосфера характеризується тим, що на висотах 50—90 км спостерігається спад температури до –70 — –80 ^С. Вітровий режим дуже складний і недостатньо вивчений. Тиск у мезосфері незначний і становить соті частки міліметра ртутного стовпчика, разом з тим політ штучних супутників неможливий. Відсотковий вміст сухого повітря залишається незмінним.

Термосфера — потужний за товщиною шар, який досягає 90—800 км. Для нього характерне підвищення температури з висотою, яка доходить на верхній межі до 10 000^С. Тиск надзвичайно низький. Тут бувають полярні сяйва. У цьому шарі найбільша кількість космічних апаратів, запущених людиною. Склад повітря змінюється. На висотах близько 200 км переважає молекулярний азот, а вище 200 км — кисень, який під дією короткохвильового випромінювання розпадається на атоми та іони. У шарі вище 600 км основним компонентом атмосфери є гелій. Тому термосферу ще називають іоносферою. Термосфера є фізичною межею атмосфери.

Екзосфера —верхній шар атмосфери завтовшки 800—20 000 км, де, згідно з розрахунковими даними, температура повітря коливається в межах від 750 до 2000—5000 ^С. В екзосфері переважає атомарний водень, тиск майже відсутній.

Деякі вчені, які вивчають склад атмосфери, поділяють її на два шари: гемосферу й гетеросферу. У гемосфері, завтовшки близько 50 км, молекулярна маса та відносний склад постійних компонентів повітря з висотою не змінюються. У гетеросфері присут­ні, поряд з молекулами, атоми та іони, а відсотковий склад повітря та його молекулярна маса з висотою змінюються.

Якщо поділити атмосферу за характером дії на неї земної поверхні, то слід виділити граничний шар, висота якого становить 1—2 км, й вільну атмосферу.

У граничному шарі добре виражені добові зміни основних метеорологічних елементів. На характер руху повітря тут значний вплив має тертя на земній поверхні. Швидкість вітру зазвичай зростає з висотою, а вектор вітру спрямовується праворуч. У граничному шарі виділяють, приземний шар повітря заввишки в кілька десятків метрів. У цьому шарі з висотою відбуваються найбільш різкі зміни температури й вологи повітря, швидкості вітру тощо.

Нерівномірність нагріву Сонцем земної поверхні та інші фактори визначають загальну циркуляцію атмосфери — системи повітряних течій зручного планетарного масштабу, завдяки яким відбувається міжширотний обмін повітряних мас (пасати, мусони, циклони, антициклони).

Одним з найважливіших процесів взаємодії між поверхнею Зем­лі й атмосферою є кругообіг води, де водяна пара конденсується й випадає у вигляді опадів (дощ, сніг, град, роса, туман та тощо).

У метеорології найчастіше усього доводиться зустрічатися з процесами, що проходять у приземному шарі атмосфери, радше, у нижній його частині, бо саме тут реалізуються бойові властивості зброї масового ураження, наслідки руйнувань радіаційно й хімічно небезпечних об’єктів, а також знаходиться значна кількість цілей ураження цією зброєю. У приземній частині атмосфери діють люди, застосовується техніка — усе це викликає загрозу для людей і вимагає захисту.

Гідросфера — це водна оболонка Землі, яка складається з океанів, морів, річок, озер, боліт, льодовиків і снігового покриву материків і підземних вод.

Гідросфера покриває 71 % поверхні земної кулі. Загальний об’єм води становить 1465 млн км³. При цьому на морські води припадає 94 %, води ґрунтові — 4 %, льодовики — 2 %, озера й водоймища — 0,4 %.

У складі гідросфери особливе значення має Світовий океан. Його частка становить 70 % усієї поверхні Землі, у його водах міститься 96,3 % усіх вод гідросфери. Океан виконує надзвичайно важливу роль у підтриманні життя на Землі, зокрема й життя людини, а також у розвитку погодних процесів. Фітопланктон океану засвоює енергію сонячного випромінювання і створює білки та жири й насичує атмосферу киснем. Величезні запаси води Світового океану, сонячна енергія, що поглинається, розчинені речовини й гази роблять його головним регулятором обміну речовин і динамічної рівноваги в природі. Роль гідросфери пояснюється ще й тим, що жодне біологічне життя неможливе без води. Вода — необхідний компонент усіх біологічних процесів, місце існування багатьох необхідних для людини біологічних організмів.

Гідросфера постійно взаємодіє з атмосферою, літосферою й біосферою. Вважають, що в гідросфері зародилося життя на Землі.

Літосфера — це верхня тверда оболонка Землі, що поступово переходить у сфери з меншою твердістю речовини. До неї входить кора й верхня мантія Землі. Та її частина, що знаходиться над поверхнею Світового океану, називається землею. Із землею пов’язане поняття «ґрунт», який дає життя рослинам.

Протяжність літосфери становить 50—200 км, зокрема товщина земної кори на континентах досягає 50—75 км, а на дні океану — 5—10 км. Верхня частина літосфери (у межах поширення живої матерії) входить до складу біосфери. Літосфера має шарову структуру.

Учені зазначають, що ґрунт — це складна комбінація мінеральних та органічних речовин, наскрізь просякнута життям і живими організмами, яка сама дає життя, і в якій стан спокою й нерухомості є станом смерті.

Головну роль у створенні та функціонуванні ґрунту як компоненту біосфери відіграють мікроорганізми. Ґрунтовий покрив Землі не тільки годує рослини, а й виконує функції, пов’язані з природним біогеохімічним кругообігом речовин. До них належать: мінералізація решток органічних речовин; акумуляція й розподіл енергії, який проходить через фотосинтез рослин; формування стоку річкової води й хімічного складу суші.

Природне значення ґрунту полягає в тому, що він здійснює зв’язок живої та неживої природи, атмосферного повітря, води й надр. Щодо народногосподарського значення, то ґрунт є основним засобом виробництва у сільському й лісовому господарстві.

У процесі господарської діяльності людини ґрунт забруднюється атмосферними опадами, стічними водами та твердими відходами.