14. Вставьте пропущенные слова и восстановите текст

Зеленое растение создается из __________ и ионов и ___________ в результате _____________. Неорганические компоненты здесь можно рассматривать как ___________ ресурс, а свет как ресурс ___________________.

□ неорганических молекул

□ пищевой

□ неорганических молекул

□ энергетический

□ солнечной радиации

Лабораторная работа № 3

Биосфера как глобальная экосистема Земли

3. 1. Цель работы

Изучение строения, структуры и границ основных геосфер Земли.

3.2. Строение планеты

Земля и окружающая ее среда сформировались в результате закономерного развития всей солнечной системы около 4,7 млрд. лет назад из рассеянного в протосолнечной системе газопылеватого вещества.

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 концентрических оболочек (геосфер) различной плотности и химического состава. Геосферы подразделяют на внутренние и внешние. К внутренним относятся ядро, мантия, а к внешним – литосфера (земная кора), гидросфера, атмосфера и сложная оболочка Земли – биосфера

3.3. Структура и границы литосферы

Литосфера (греч. lithos – камень) – каменная оболочка Земли, включающая в себя земную кору и часть верхней мантии (рис. 3.1).

Рис. 3.1. Схема строения литосферы

Земная кора – твердая внешняя оболочка, толщиной до 70 км в горных областях, около 30 км под равнинами, 5 - 7 км под океана­ми.

Химические элементы земной коры образуют естественные соединения, состоящие из одного или более элементов – минералы. Минералы в земной коре группируются в естественные ассоциации – горные породы.

Впервые установил среднее содержание химических элементов в земной коре американский геохимик Ф.У. Кларк (1847-1931), проанализировав около 6000 горных пород (табл. 3.1).

Таблица 3.1

Кларки наиболее распространенных химических элементов

Химический элемент		Кларк, %	Химический элемент		Кларк, %
наименова­ние	сим­вол		наименова­ние	сим­вол
Кислород	О	46,6 - 49,1	Натрий	Nа	2,01 - 2,83
Кремний	Si	26,0 - 29,5	Калий	К	2,35 - 2,59
Алюминий	Аl	7,45 - 8,14	Магний	Мg	1,79 - 2,35
Железо	Fе	4,20 - 5,00	Водород	H	до 1
Кальций	Са	2,71 - 3,63	ИТОГО		более 99%

Доля различных горных пород в земной коре неодинакова – более 70% приходится на базальты, граниты и другие магматические породы, около 17% – на преобразованные давлением и высокой температурой породы и лишь чуть больше 12% – на осадочные (табл. 3.2).

Таблица 3.2

Соотношение горных пород земной коры

Название горных пород	Процент от общего объема земной коры, %
Магматические и метаморфические породы
Граниты, диориты, эффузиты	20,86
Кристалические сланцы, гнейсы	16,91
Базальты. Габбро. Амфиболы	50,34
Осадочные породы
Глины и глинистые сланцы	4,48
Пески и песчпнники	3,56
Карбонатные породы	3,57
Прочие породы	0,28

Земная кора – важнейший ресурс для человечества, который содержит горючие полезные ископаемые (уголь, нефть, горючие сланцы), рудные (железо, алюминий, медь, олово и др.) и нерудные (фосфориты, апатиты и др.) полезные ископаемые, естественные строительные материалы (известняки, пески, гравий и др.).

3.3. Структура и границы гидросферы

Гидросфера (греч. hydor – вода) – поверхностная и подземная водная оболочка Земли.

В состав поверхностной гидросферы входят воды океанов, морей, озер, водохранилищ, болот, ледников, снежных покровов и др. Все эти воды постоянно или временно располагаются на земной поверхности.

Подземная гидросфера – включает воды, находящиеся в верхней части земной коры. Сверху подземная гидросфера ограничена поверхностью Земли, нижнюю ее границу проследить невозможно, так как гидросфера очень глубоко проникает в толщу земной коры.

По отношению к объему земного шара общий объем гидросферы не превышает 0,13%. Основную часть гидросферы (96,53%) составляет Мировой океан (табл. 3.3). На долю подземных вод приходится 23,4 млн. км³, или 1,69% от общего объема гидросферы, остальное – воды рек, озер и ледников.

Более 98% всех водных ресурсов Земли составляют соленые воды океанов, морей и др.

Общий объем пресных вод на Земле равен 28,25 млн км³, или около 2% общего объема гидросферы.

Таблица 3.3

Распределение вод на Земле

Часть гидросферы	Площадь распространения, тыс.км2	Объем воды, тыс.км2	Доля от общих запасов воды, %
Мировой океан	361300	1138500	96,53
Ледники и снега (полярные и горные области)	162227	24064	1,74
Подземные воды	134800	23400	1,69
Подземные льды в зоне вечной мерзлоты	21000	300	0,023
Озера	2058	176	0,014
Почвенная влага	82000	16,5	0,001
Болота	2682	11,4	0,0007
Речные воды	148000	2,1	0,0002

Гидросфера играет огромную роль в формировании природной среды нашей планеты. Весьма активно она влияет и на атмосферные процессы (нагревание и охлаждение воздушных масс, насыщение их влагой и т. д.).

Гидросфера находится в тесной связи как с атмосферой – через парообразную влагу, так и с литосферой – посредством подземных вод, а также с живым веществом биосферы.

3.3. Структура и газовый состав атмосферы

Атмосфера (греч. athmos – пар) – газовая оболочка Земли, состоящая из смеси различных газов, водяных паров и пыли.

Атмосфера сформировалась в результате геологической эволюции и непрерывной деятельности живых организмов. Общая масса атмосферы – 5,15 × 10¹⁵ т.

Между атмосферой и земной поверхностью происходит постоянный обмен теплом и влагой, что вместе с циркуляцией атмос­феры влияет на основные климатообразующие процессы.

Атмосфера выполняет функцию защиты Земли от воздействия открытого Космоса и имеет четко выраженное слоистое строение (рис. 3.2.).

Рис. 3.2. Структура атмосферы

Тропосфера – нижний слой атмосферы. Высота тропосферы достигает 10 км над полюсами, 12 км в умеренных широтах и до 18 км над экватором. В тропосфере происходят глобальные вертикальные и горизонтальные перемещения воздушных масс, во многом определяющие круговорот воды, теплообмен, трансграничный перенос пылевых частиц и загрязнений. В тропосфере развиваются физические процессы, формирующие погоду, разнообразные погодные явления – облака, циклоны, антициклоны и влияющие на климат различных районов нашей планеты. Температура воздуха в тропосфере изменяется с +40^˚С до –50^˚С, снижаясь на 0,6^˚С при подъеме на каждые 100 м.

Стратосфера – находится над тропосферой. Толщина слоя составляет от 40 до 50 км над поверхностью Земли. В стратосфере находится озоновый слой, поглощающий большую часть ультрафиолетовой радиации (ослабляет часть ультрафиолетового спектра ~ в 6500 раз) и предохраняющий жизнь на Земле. Сквозь стратосферу непрерывно падает метеоритная пыль, в нее выбрасывается вулканическая пыль. Температура в стратосфере до высоты 30 км остается постоянной – 50^˚С, а затем повышается до 10^˚С (на отметке 50 км).

Мезосфера – слой, расположенный над стратосферой, характеризующийся понижением температуры с увеличением высоты, приблизительно от 0^˚С на границе со стратосферой до – 70^˚С в самых верхних слоях мезосферы.

Ионосфера – слой, высотой до 1300 км, оберегающий все живое от вредного воздействия космической радиации, влияет на отражение и поглощение радиоволн. Характеризуется повышением температуры и на высоте 600-800 км достигает +1600^˚С.

Магнитосфера – область околоземного пространства, конфигурация которой непрерывно меняется, простираясь с дневной стороны до 10-12 R (R – земной радиус  6370 км), с ночной вытянута, образуя магнитный хвост Земли в несколько сотен R.

Состав современной атмосферы – результат динамического равновесия, поддерживаемого процессами жизнедеятельности организмов и различными геохимическими явлениями глобального масштаба (табл. 3.4, по Н. Реймерсу, 1990).

Таблица 3.4

Состав атмосферы

Элементы и газы	Содержание в нижних слоях атмосферы,%
	по объему	по массе
Азот	78,084	75,5
Кислород	20,964	23,14
Аргон	0,964	1,28
Неон	0,0018	0,0012
Гелий	0,000524	0,00007
Криптон	0,000114	0,0003
Водород	0,00005	0,000005
Углекислый газ	0,34	0,0466
Водяной пар:
в полярных широтах	0,2	-
у экватора	2,6	-
Озон:
в тропосфере	0,000001	-
в стратосфере	0,001 – 0,0001	-
Метан	0,00016	0,00009
Окись азота	0,000001	0,0000003
Окись углерода	0,000008	0,0000078

Атмосфера физически, химически и механически воздействует на литосферу, регулируя распределение тепла и влаги. Атмосфера поддерживает различные формы жизни на Земле.

Атмосферные процессы тесно связаны с процессами, происходящими в литосфере и водной оболочке.

Атмосфера, гидросфера и литосфера тесно взаимодействуют между собой. Практически все поверхностные, экзогенные, геологические процессы обусловлены этим взаимодействием и проходят, как правило, в биосфере.

3.4. Структура и границы биосферы

Биосфера (греч. bios – жизнь, shapa – шар) – «сфера жизни», сложная наружная оболочка Земли, населенная организмами, составляющими в совокупности живое вещество планеты. Это одна из важнейших геосфер Земли, являющаяся основным компонентом природной среды, окружающей человека.

Впервые термин «биосфера» был введен в науку геологом из Австрии Э. Зюссом в 1875 г. Он понимал под биосферой тонкую пленку жизни на земной поверхности.

Роль и значение биосферы для развития жизни на нашей планете оказались настолько велики, что уже в первой трети ХХ в. возникло новое фундаментальное научное направление в естествознании – учение о биосфере, основоположником которого является великий русский ученый В. И. Вернадский.

В биосферу входят часть атмосферы до высоты 2530 км (до озонового слоя), практически вся гидросфера и верхняя часть литосферы примерно до глубины 3 км. Особенностью этих частей является то, что они населены живыми организмами, составляющими живое вещество планеты.

На рис. 3.3. наглядно показаны границы биосферы – от высот атмосферы, где царят холод и низкое давление, до глубин океана, где давление достигает до 12 тыс. атм. Это стало возможным потому, что пределы толерантности (терпимости) температур у различных организмов практически от абсолютного нуля до плюс 180 С, а некоторые бактерии могут существовать в вакууме.

Рис. 3.3. Распределение живых организмов в биосфере:

1 – озоновый слой; 2 – граница снегов; 3 – почва; 4 – животные, обитающие в пещерах; 5 – бактерии в нефтяных водах (высота и глубина даны в метрах)

3.5. Контрольные вопросы и задания

1. Перечислите геосферы Земли.

2. Дайте определение литосферы.

3. Дайте характеристику земной коре.

4. Как называют среднее содержание химического элемента в земной коре.

5. Дайте определение гидросферы.

6. В каком состоянии в природе присутствует вода.

7. Перечислите состав гидросферы.

8. Дайте характеристику атмосфере.

9. Перечислите структуру атмосферы.

10. Дайте характеристику тропосфере.

11. Дайте характеристику стратосфере.

12. Назовите главные газовые составные части атмосферы.

13. Дайте определение биосферы.

14. Что включает в себя биосфера, границы биосферы.

15. Какая из сфер земли полностью входит в биосферу.

3.6. Тренировочные задания

1. Как называется нижний слой атмосферы, играющий важную роль в формировании природной среды Земли?

□ термосфера

□ мезосфера

□ тропосфера

□ стратосфера

2. Установите соответствие

1□ биосфера □ каменная оболочка Земли

2□ литосфера □ сложная наружная оболочка Земли, населенная организмами,

составляющими в совокупности живое вещество планеты

3□ гидросфера □ газовая оболочка Земли

4□ атмосфера □ водная оболочка Земли

4. Кто из ученых является основоположником учения о биосфере?

□ Э Зюсс

□ Г.Ф.Гаузе

□ Э. Геккель

□ В.И. Вернадский

5. Кто из ученых впервые ввел в науку термин «биосфера»?

□ Г.Ф.Гаузе

□ Э Зюсс

□ В.И. Вернадский

□ Э. Геккель

+ Видеоматериал Место биосферы среди оболочек Земли

Лабораторная работа № 5

виды антропогенных воздействий на биосферу

Биосфера, весьма динамичная планетарная экосистема, во все периоды своего эволюционного развития постоянно изменялась под воздействием различных природных процессов. В результате длительной эволюции биосфера выработала способность к саморегуляции и нейтрализации негативных процессов.

Главным событием эволюции биосферы признавалось приспособление организмов к изменившимся внешним условиям путем изменения внутривидовой информации. Гарантом динамической устойчивости биосферы в течение миллиардов лет служила естественная биота в виде сообществ и экосистем в необходимом объеме.

Однако по мере возникновения, совершенствования и распространения новых технологий (охота – земледельческая культура – промышленная революция) планетарная экосистема, адаптированная к воздействию природных факторов, все в большей степени стала испытывать влияние новых небывалых по мощности и разнообразию воздействий. Вызваны они человеком, а потому называются антропогенными. Под антропогенными воздействиями понимают деятельность, связанную с реализацией экономических, военных, рекреационных, культурных и других интересов человека, вносящую физические, химические, биологические и другие изменения в природную среду.

Американский эколог Б. Коммонер (1974) выделил пять видов вмешательства человека в экологические процессы:

 упрощение экосистемы и разрыв биологических циклов;

 концентрация рассеянной энергии в виде теплового загрязнения;

 рост ядовитых отходов от химических производств;

 введение в экосистему новых видов;

 появление генетических изменений в организмах растений и животных.

Подавляющая часть антропогенных воздействий носит целенаправленный характер, т. е. осуществляется человеком сознательно во имя достижения конкретных целей. Существуют и антропогенные воздействия стихийные, непроизвольные, имеющие характер последействия. Например, к этой категории воздействий относятся процессы подтопления территории, возникающие после ее застройки и др.

Нарушения основных систем жизнеобеспечения биосферы связаны в первую очередь с целенаправленными антропогенными воздействиями. По своей природе, глубине и площади распространения, времени действия и характеру приложения они могут быть различными: длительными и кратковременными, площадными и точечными, прямыми и косвенными и т. д. (Сергеев, Трофимов, 1985).

Анализ экологических последствий антропогенных воздействий позволяет разделить все их виды на положительные и отрицательные (негативные). К положительным воздействиям человека на биосферу можно отнести воспроизводство природных ресурсов, восстановление запасов подземных вод, полезащитное лесоразведение, рекультивацию земель на месте разработок полезных ископаемых и некоторые другие мероприятия.

Отрицательное (негативное) воздействие человека на биосферу проявляется в самых разнообразных и масштабных акциях: вырубке леса на больших площадях, истощении запасов пресных подземных вод, засолении и опустынивании земель, резком сокращении численности и видов животных и растений и т. д.

К числу основных глобальных факторов дестабилизации природной среды относятся (Экологическая доктрина Российской Федерации, 2002):

 рост потребления природных ресурсов при их сокращении;

 рост населения планеты при сокращении для обитания территорий;

 деградации основных компонентов биосферы, снижение способности природы к самоподдержанию;

 возможные изменения климата и истощение озонового слоя Земли;

 сокращение биологического разнообразия;

 возрастание экологического ущерба от стихийных бедствий и техногенных катастроф;

 недостаточный уровень координаций действий мирового сообщества в области решения экологических проблем.

Главнейшим и наиболее распространенным видом отрицательного (негативного) воздействия человека на биосферу является загрязнение. Большинство экологических ситуаций в мире и в России так или иначе связаны с загрязнением окружающей среды (Чернобыль, кислотные дожди, опасные отходы и т. д.). Поэтому понятие «загрязнение» рассмотрим подробнее.

Загрязнением называют поступление в окружающую природную среду любых твердых, жидких и газообразных веществ, микроорганизмов или энергий (в виде звуков, шумов, излучений) в количествах вредных для здоровья человека, животных, состояния растений и экосистем.

По объектам загрязнения различают загрязнение поверхностных и подземных вод, загрязнение атмосферного воздуха, загрязнение почв и т. д. В последние годы актуальными стали и проблемы, связанные с загрязнением околоземного космического пространства. К настоящему времени на рабочие орбиты выведено более двадцати тысяч космических объектов, а общая масса отработавших объектов (космического мусора) превышает 3000 т.

Природными загрязнителями могут быть пыльные бури, вулканический пепел, селевые потоки и др.

Источниками антропогенного загрязнения, наиболее опасного для популяций любых организмов, входящих в состав экосистем, являются промышленные предприятия (химические, металлургические, целлюлозно-бумажные, строительных материалов и др.), теплоэнергетика, транспорт, сельскохозяйственное производство и другие технологии. Под влиянием урбанизации в наибольшей степени загрязнены территории крупных городов и промышленных агломераций. По видам загрязнений выделяют химическое, физическое и биологическое загрязнение (рис. 5.1 по Н. Ф. Реймерсу, 1990; с изменениями).

Рис. 5.1. Виды загрязнения окружающей среды

По своим масштабам и распространению загрязнение может быть локальным (местным), региональным и глобальным.

Количество загрязняющих веществ в мире огромно, и число их по мере развития новых технологических процессов постоянно растет. В этом отношении «приоритет» как в локальном, так и в глобальном масштабе ученые отдают следующим загрязняющим веществам:

 диоксиду серы (с учетом эффектов вымывания диоксида серы из атмосферы и попадания образующихся серной кислоты и сульфатов на растительность, почву и в водоемы);

 тяжелым металлам: в первую очередь свинцу, кадмию и особенно ртути (с учетом цепочек ее миграции и превращения в высокотоксичную метилртуть);

 некоторым канцерогенным веществам, в частности бенз(а)пирену;

 нефти и нефтепродуктам в морях и океанах;

 хлорорганическим пестицидам (в сельских районах);

 оксиду углерода и оксидам азота (в городах).

Этот перечень безусловно должен быть дополнен радионуклидами и другими радиоактивными веществами, пагубные последствия которых для человеческой популяции и экосистем в полной мере проявились после атомной бомбардировки Хиросимы и Нагасаки (Япония) и аварии на Чернобыльской АЭС. Следует упомянуть и диоксины – весьма опасное загрязняющее вещество из класса хлоруглеводородов.

К экологически опасным негативным воздействиям человека на биосферу относят также электромагнитные излучения, вибрацию, шум, патогенные бактерии, вирусы и др.

Под видами загрязнений понимают также любые нежелательные для экосистем антропогенные изменения (рис. 5.2, по Г. В. Стадницкому и А. И. Родионову, 1988):

 ингредиентное (минеральное и органическое) загрязнение как совокупность веществ, чуждых естественным биогеоценозам (например, бытовые стоки, ядохимикаты, продукты сгорания в ДВС и т. д.);

 параметрическое загрязнение, связанное с изменениями качественных параметров окружающей среды (тепловое, шумовое, радиационное, электромагнитное);

 биоценотическое загрязнение, вызывающее нарушение в составе и структуре популяций живых организмов (перепромысел, направленная интродукция и акклиматизация видов и т. д.);

 стациально-деструкционное загрязнение (стация – место обитания популяции, деструкция – разрушение), связанное с нарушением и преобразованием ландшафтов и экосистем в процессе природопользования (зарегулирование водотоков, урбанизация, вырубка лесных насаждений и пр.).

Рис. 5.2. Классификация загрязнения экологических систем

Без всякого преувеличения можно отметить, что воздействия человека на биосферу в целом и на отдельные ее компоненты (атмосферу, гидросферу, литосферу и биотические сообщества) достигло к настоящему времени беспрецедентных размеров. Особенно возросли темпы роста ингредиентных и параметрических загрязнителей, причем не только в количественном, но и в качественном отношении. Негативные тенденции этих воздействий на человека и биоту носят не только выраженный локальный, но и глобальный характер, что свидетельствует о все возрастающем давлении на всю планету.