Геосферы Земли и их экологические функции.
Земной шар, по общепринятым теперь представлениям, состоит из концентрических слоев - геосфер. В центре находится ядро, состоящее из твёрдой внутренней части — собственно ядра радиусом 1250 км и окружающей её внешней части — жидкой фазы. Температура земного ядра — более 5000 °С, а в центральной части ядра доходит до величины 8000-9000 °С. Это происходит отчасти из-за радиоактивного распада некоторых элементов (при котором выделяется тепло), отчасти — из-за термоизолирующих свойств мантии. Из-за постепенного истощения радиоактивных элементов во внутренней части Земли ядро продолжает медленно остывать.
За жидкой частью ядра следует мантия — самый толстый (около 3000 км) слой кристаллической породы с температурой 2000—2500°С, составляющий 83% всего объема Земли, далее идет промежуточный слой - астеносфера, а над ней - земная кора, состоящая из среднего (30-40 км, из гранита и кремнезема) и нижнего (до 30 км из базальта) слоев. Всю твердую оболочку Земли называют литосферой (т.е. каменной сферой). С поверхности планета окружена гидросферой, т.е. морями и океанами, и атмосферой, т.е. воздушной оболочкой. Атмосфера в направлении снизу вверх подразделяется на тропосферу, стратосферу и ионосферу, граничащую с космосом.
Геосферы не являются геометрически правильными сферами, они имеют искажения, отклонения от сферической формы. Границы между ними в значительной мере условны.
С течением времени, границы атмо-, гидро- и литосферы становятся вообще неопределёнными. С учётом этого в геологической науке условились для простоты называть атмосферой газовую оболочку Земли в её современных пределах, гидросферой - всю совокупность поверхностных вод: океаны и моря, реки и озера, льды и снега, а литосферой — земную кору.
Первые представления о геосферах дали в своих трудах Э.Зюсс и Дж. Меррей. Последовательно развивал учение о земных сферах В.И. Вернадский. Им была исследована химическая структура геосфер.
Геосферы находятся в постоянном активном взаимодействии. Атмосфера и гидросфера непрерывно перерабатывают поверхность земной коры. Подземные газы и воды активно влияют на ход геологических процессов. Главным источником энергии для всех поверхностных процессов на нашей планете является лучистая энергия Солнца. Неравномерный разогрев земной поверхности солнечной энергией приводит в движение атмосферу и гидросферу. Эти подвижные геосферы совместно с тектоническими процессами в литосфере с течением времени меняют облик Земли, перемещая огромные массы горных пород, меняя береговую линию океанов и морей.
Экологические функции геосфер
Под экологическими функциями следует понимать значение каждой геосферы в сохранении и эволюции экосистем в целом, особо при этом вычленяя их роль в эволюции человеческого общества и в жизнедеятельности человека.
Атмосфера — важный источник веществ для формирования почв, горных пород и полезных ископаемых. Среди химических элементов главнейшими являются кислород и углерод, который в атмосфере находится в форме диоксида, а также молекулярный азот и взвешенные аэрозольные частицы. Атмосфера не только является преобразователем солнечной энергии, но и одновременно служит источником строительного материала оксидов углерода и частично аэрозолей для живых организмов.
Вместе с тем интенсивная хозяйственная деятельность во многом видоизменила экологические функции воздушной оболочки и вызвала деградационные изменения.
Экологические функции Мирового океана, по Б.С.Залогину и К. С. Кузьминской (1997), вытекают из его взаимодействия с атмосферой и верхней частью литосферы, которое приводит к широкому газообмену, способствует возникновению климата и погодных условий, обусловливает распределение температуры, солености и плотности Мирового океана, вызывает поверхностную и глубинную гидродинамику. Все это играет ведущую роль в распределении биоты и обусловливает жизнедеятельность организмов, транспортировку и аккумуляцию вещества.
Экологические функции мантии и земной коры выражаются в тех изменениях, которые они вносили в геологическом прошлом и продолжают вносить в настоящее время в форме отраженных процессов, происходивших в глубоких недрах. Это так называемое газовое дыхание Земли, т.е. выделение газовых эманаций, влияющих на здоровье людей, это различные вулканические извержения и глубоко- и мелкофокусные землетрясения. Но кроме того, они являются источниками конвективных потоков вещества, так называемых плюмов, благодаря которым осуществляется перемещение как отдельных блоков, так и огромных литосферных плит.
Экологические функции приповерхностной части литосферы вместе с геологической ролью атмосферы и гидросферы в планетарном виде определяются их ролью в жизнедеятельности и эволюции органического мира, главным образом человеческой популяции. Приоритет человеческой популяции в глобальной экосистеме обусловлен ее активным воздействием на среду обитания.
Экологическая функция литосферы, согласно В.Т.Трофимову и др. (1997, 2000), слагается из трех частей:
1. ресурсной, которая определяет возможность жизнедеятельности и благополучного развития человеческого общества;
2. геодинамической, связанной с проявлениями и динамикой природных и антропогенных геологических процессов, которые в гой или иной мере влияют на условия жизнеобитания и жизнедеятельности человеческого общества;
3. геохимической и геофизической (медико-санитарной), определяющей воздействие на состояние здоровья человека разнообразных природных и техногенных геохимических аномалий и геофизических полей.
Изложенные в краткой форме экологические функции атмосферы, гидросферы и литосферы однозначно свидетельствуют о функциональной сложности и необычайно высокой динамичности отдельных геосфер, разнообразии тесной сопряженности и взаимообусловленности их экологических функций. Отсюда неизбежен вывод о том, что нарушение какого-либо одного компонента любой геосферы с неизбежностью приводит к тому или иному глубокому кризисному нарушению других ее компонентов. Следовательно, нельзя планировать автономное освоение какого-то одного, на первый взгляд отдельного и самостоятельного, ресурса биосферы, не считаясь с тем, как оно отразится на других ее составляющих.
Ввиду того что биосфера является сложноорганизованной глобальной целостной системой, при разработке проблем, связанных с ее экологическими функциями, необходимо в первую очередь учитывать ее значение для устойчивого развития нашей планеты и тот громадный вклад в естественную эволюцию биокосного вещева на, который она внесла за прошедшие 4 млрд лет развития Земли, и, следовательно, проследить эволюцию биосферы как уникального космического феномена.
Взаимодействие биосферы с внешними оболочками Земли, т.е. гидросферой, атмосферой и верхней частью литосферы обеспечивает живое и косное вещество энергией и веществом, необходимыми для их развития и взаимодействия. Среди функций при взаимодействии биосферы с внешними косными оболочками, по Е.Д.Никитину и др. (1992), выделяют блокировку жесткого космического излучения, диспергацию и фансформацию метеоритного вещества, резкое снижение метеоритной бомбардировки поверхности планеты, а также функции, связанные с ограничением отдачи земного вещества в космическое пространство. При взаимодействии с внешними геосферами и Космосом биосфера участвует в процессе создания сложноорганизованного вещества, в подзарядке внутренних геосфер энергией и трансформации эндогенного вещества Земли.
Антропогенные процессы в геосферах
3. Антропогенные процессы в атмосфере
Изменение состава воздуха связано с хозяйственной деятельностью человека, в результате которой все более нарушается природное соотношение кислорода и углекислого газа.
Природное содержание кислорода в приземном слое атмосферы постепенно сокращается из-за:
сжигания топлива, на что потребляется 15,8 млрд т кислорода);
авиации, особенно реактивной;
автотранспорта;
вырубки лесов;
производственных процессов (имеются в виду металлургические, химические и другие технологические процессы, потребляющие кислород);
процессов окисления (металлов, органических остатков при разложении и др.).
Ежегодная антропогенная убыль кислорода в приземном воздухе оценивается в 10...31,5 млрд т, а содержание кислорода в воздухе крупных промышленных центров снижается до 19 %, содержание же кислорода в воздухе, пригодном для дыхания человека, должно быть не менее 17 %. Люди расходуют кислорода на 15...20 % больше, чем его вырабатывают растения планеты.
Выделение углекислого газа в атмосферу увеличивается из-за:
сжигания топлива (на предприятиях, транспортом и в котельных);
лесных пожаров;
сокращения лесопокрытых площадей и ряда других причин.
В результате роста концентрации в атмосфере наблюдается усиление парникового эффекта.
4. Антропогенные изменения атмосферы
В настоящее время имеется множество различных источников антропогенного характера, вызывающих загрязнение атмосферы и приводящих к серьезным нарушениям экологического равновесия. По своим масштабам наибольшее воздействие на атмосферу оказывают два источника: транспорт и промышленность. В среднем на долю транспорта приходится около 60 % общего количества атмосферных загрязнений, промышленности — 15%, тепловой энергетики — 15%, технологий уничтожения бытовых и промышленных отходов — 10 %.
Транспорт в зависимости от используемого топлива и типов окислителей выбрасывает в атмосферу оксиды азота, серы, оксиды и диоксиды углерода, свинца и его соединений, сажу, бензо-пирен (вещество из группы полициклических ароматических углеводородов, которое является сильным канцерогеном, вызывающим рак кожи).
Промышленность выбрасывает в атмосферу сернистый газ, оксиды и диоксиды углерода, углеводороды, аммиак, сероводород, серную кислоту, фенол, хлор, фтор и другие соединения и химические элементы. Но главенствующее положение среди выбросов (до 85 %) занимает пыль.
В результате загрязнения меняется прозрачность атмосферы, в ней возникают аэрозоли, смог и кислотные дожди.
Аэрозоли представляют собой дисперсные системы, состоящие из частиц твердого тела или капель жидкости, находящихся во взвешенном состоянии в газовой среде. Размер частиц дисперсной фазы обычно составляет 10-3—10-7 см. В зависимости от состава дисперсной фазы аэрозоли подразделяют на две группы. К одной относят аэрозоли, состоящие из твердых частиц, диспергированных в газообразной среде, ко второй — аэрозоли, являющиеся смесью газообразных и жидких фаз. Первые называют дымами, а вторые — туманами.
В процессе их образования большую роль играют центры конденсации. В качестве ядер конденсации выступают вулканический пепел, космическая пыль, продукты промышленных выбросов, различные бактерии и др. Число возможных источников ядер концентрации непрерывно растет.
Антропогенные факторы образования аэрозолей сдвинули это равновесие круговоротов веществ в сторону значительных биосферных перегрузок. Особенно сильно эта особенность проявляется с тех пор, как человечество стало использовать специально создаваемые аэрозоли как в виде отравляющих веществ, так и для защиты растений.
Наиболее опасными для растительного покрова являются аэрозоли сернистого газа, фтористого водорода и азота. При соприкосновении с влажной поверхностью листа они образуют кислоты, губительно воздействующие на живые ткани. Кислотные туманы попадают вместе с вдыхаемым воздухом в дыхательные органы животных и человека, агрессивно воздействуют на слизистые оболочки.
Во время ядерных взрывов в атмосфере образуются радиоактивные аэрозольные облака. Мелкие частицы радиусом 1 — 10 мкм попадают не только в верхние слои тропосферы, но и в стратосферу, в которой они способны находиться длительное время. Аэрозольные облака образуются также во время работы реакторов промышленных установок, производящих ядерное топливо, а также в результате аварий на АЭС.
Смог представляет собой смесь аэрозолей с жидкой и твердой дисперсными фазами, которые образуют туманную завесу над промышленными районами и крупными городами.
Различают три вида смога: ледяной, влажный и сухой. Ледяной смог - сочетание газообразных загрязнителей с добавлением пылеватых частиц и кристалликов льда, которые возникают при замерзании капель тумана и пара отопительных систем.
Влажный смог, или смог лондонского типа, иногда называется зимним. Он представляет собой смесь газообразных загрязнителей (в основном сернистого ангидрита), пылеватых частиц и капель тумана. Метеорологической предпосылкой для появления зимнего смога является безветренная погода, при которой слой теплого воздуха располагается над приземным слоем холодного воздуха (ниже 700 м). При этом отсутствует не только горизонтальный, но и вертикальный обмен. Загрязняющие вещества, обычно рассеивающиеся в высоких слоях, в данном случае накапливаются в приземном слое.
Сухой смог возникает в летнее время. Он представляет собой смесь озона, угарного газа, оксидов азота и паров кислот. Образуется такой смог в результате разложения загрязняющих веществ солнечной радиацией, особенно ультрафиолетовой ее частью. Метеорологической предпосылкой является атмосферная инверсия, выражающаяся в появлении слоя холодного воздуха над теплым.
Обычно поднимаемые теплыми потоками воздуха газы и твердые частицы рассеиваются в верхних холодных слоях, но в данном случае накапливаются в инверсионном слое. В процессе фотолиза диоксиды азота, образованные при сгорании топлива в двигателях автомобилей, распадаются, затем происходит синтез озона:
Процессы фотодиссоциации сопровождаются желто-зеленым свечением. Кроме того, образуется сильная серная кислота.С изменением метеорологических условий холодный воздух рассеивается и смог исчезает.