Зміст лекції

1 Природне середовище: атмосфера, гідросфера, літосфера

Природне середовище — це мегаекзосфера постійних взаємодій і взаємопроникнення елементів і процесів чотирьох її складових екзосфер (приповерхневих оболонок): атмосфери, літосфери, гідросфери й біосфери — під впливом екзогенних (зокрема космічних) та ендогенних факторів і діяльності людини. Кожна з екзосфер має свої складові елементи, структуру та особливості. Три з них — атмосфера, літосфера й гідросфера — утворені неживими речовинами і є ареалом функціонування живої речовини — біоти — головного компонента четвертої складової дов­кілля — біосфери.

Атмосфера є зовнішньою газовою оболонкою Землі, що сягає від її поверхні в космічний простір приблизно на 3000 км. Історія виникнення та розвитку атмосфери досить складна й тривала, вона налічує близько 3 млрд років. За цей період склад і властивості атмосфери неодноразово змінювалися, але протягом останніх 50 млн років, як вва­жають вчені, вони стабілізувалися.

Маса сучасної атмосфери становить приблизно одну мільйонну частину маси Землі. З висотою різко зменшують­ся щільність і тиск атмосфери, а температура змінюється нерівномірно й складно. Зміна температури в межах ат­мосфери на різних висотах пояснюється неоднаковим по­глинанням сонячної енергії газами. Найінтенсивніше тепло­ві процеси відбуваються у тропосфері, причому атмосфера нагрівається знизу, від поверхні океану та суші.

Слід зазначити, що атмосфера має дуже велике еколо­гічне значення Вона захищає всі живі організми Землі від згубного впливу космічних випромінювань і ударів метео­ритів, регулює сезонні температурні коливання, врівнова­жує й вирівнює добові. Якби атмосфери не існувало, то ко­ливання добової температури на Землі досягло б ±200 °С. Атмосфера є не лише життєдайним «буфером» між Космо­сом і поверхнею нашої планети, носієм тепла та вологи, через неї відбуваються також фотосинтез і обмін енергії — головні процеси біосфери. Атмосфера впливає на характер і динаміку всіх екзогенних процесів, що відбуваються в лі­тосфері (фізичне та хімічне звітрювання, діяльність вітру, природних вод, мерзлоти, льодовиків).

Розвиток гідросфери також значною мірою залежав від атмосфери через те, що водний баланс і режим поверхневих і підземних басейнів і акваторій формувалися під впливом режиму опадів і випаровування. Процеси гідросфери і ат­мосфери тісно пов'язані між собою.

Однією з найголовніших складових атмосфери є водя­на пара, яка має велику просторово-часову мінливість і зо­середжена переважно в тропосфері.

Важливою змінною складовою атмосфери є також вуг­лекислий газ, мінливість вмісту якого пов'язана з життє­діяльністю рослин, його розчинністю в морській воді та ді­яльністю людини (промислові й транспортні викиди).

Останнім часом дедалі більшу роль у атмосфері відігра­ють аерозольні пилуваті частки — продукти людської ді­яльності, які можна виявити не лише в тропосфері, але й на великих висотах (щоправда, в мізерних концентраціях). Фізичні процеси, що відбуваються в тропосфері, дуже впли­вають на кліматичні умови різних районів Землі.

Літосфера — зовнішня тверда оболонка Землі, яка включає всю земну кору з частиною верхньої мантії Землі й складається з осадочних, вивержених і метаморфічних порід. Нижня межа літосфери нечітка й визначається різким зменшенням в'язкості порід, зміною швидкості по­ширення сейсмічних хвиль і збільшенням електропровідно­сті порід. Товщина літосфери на континентах і під океа­нами різниться й становить в середньому відповідно 25— 200 і 5—100 км.

Розглянемо в загальному вигляді геологічну будову Зем­лі. Третя за віддаленістю від Сонця планета — Земля має радіус 6370 км, середню густину — 5,5 г/см³ і складається з трьох оболонок — кори, мантії та ядра. Мантія та ядро по­діляються на внутрішні й зовнішні частини.

Земна кора — тонка верхня оболонка Землі, яка має товщину на континентах 40—80 км, під океанами — 5— 10 км і становить всього близько 1 % маси Землі. Вісім елементів — кисень, кремній, водень, алюміній, залізо, маг­ній, кальцій, натрій — утворюють 99,5 % земної кори. На континентах кора тришарова: осадочні породи вкривають гранітні, а гранітні залягають на базальтових. Під океа­нами кора «океанічного», двошарового типу; осадочні поро­ди залягають просто на базальтах, гранітного шару немає. Розрізняють також перехідний тип земної кори (острів- но-дужні зони на околицях океанів і деякі ділянки на ма­териках, наприклад Чорне море). Найбільшу товщину зем­на кора має в гірських районах (під Гімалаями — понад 75 км), середню — в районах платформ (під Західно-Сибір- ською низиною — 35—40, в межах Російської платформи — ЗО—35), а найменшу — в центральних районах океанів (5— 7 км).

Переважна частина земної поверхні — це рівнини кон­тинентів і океанічного дна. Континенти оточені шельфом — мілководною смугою глибиною до 200 м і середньою ши­риною близько 80 км, яка після різкого обривчастого виги­ну дна переходить у континентальний схил (ухил змінюєть­ся від 15—17 до 20—30°). Схили поступово вирівнюються й переходять у абісальні рівнини (глибини 3,7—6,0 км). Найбільші глибини (9—11 км) мають океанічні жолоби, переважна більшість яких розташована на північній і за­хідній околицях Тихого океану.

Основна частина літосфери складається з вивержених магматичних порід (95 %), серед яких на континентах пе­реважають граніти та гранітоїди, а в океанах — базальти.

Актуальність екологічного вивчення літосфери зумовле­на тим, що літосфера є середовищем усіх мінеральних ре­сурсів, одним з основних об'єктів антропогенної діяльності (складових природного середовища), через значні зміни якого розвивається глобальна екологічна криза. У верхній частині континентальної земної кори розвинені грунти, зна­чення яких для людини важко переоцінити. Грунти — органомінеральний продукт багаторічної (сотні та тисячі років) спільної діяльності живих організмів, води, повітря, сонячного тепла та світла є одними з найважливіших при­родних ресурсів. Залежно від кліматичних і геолого-геогра- фічних умов грунти мають товщину від 15—25 см до 2—3 м.

Грунти виникли разом з живою речовиною і розвивали­ся під впливом діяльності рослин, тварин і мікроорганізмів, поки не стали дуже цінним для людини родючим субстра­том. Основна маса організмів і мікроорганізмів літосфери зосереджена в грунтах, на глибині не більше кількох мет­рів. Сучасні грунти є трифазною системою (різнозернисті тверді частки, вода та гази, розчинені у воді, та порах), яка складається із суміші мінеральних часток (продукти руй­нування гірських порід), органічних речовин (продукти життєдіяльності біоти та мікроорганізмів і грибів). Грунти відіграють величезну роль у кругообігу води, речовин і вуг­лекислого газу.

З різними породами земної кори, як і з її тектонічними структурами, пов'язані різні корисні копалини: горючі, ме­талічні, будівельні, а також такі, що є сировиною для хі­мічної та харчової промисловості.

У межах літосфери періодично відбувалися й відбува­ються грізні екологічні процеси (зсуви, селі, обвали, еро­зія), які мають величезне значення для формування еко­логічних ситуацій у певному регіоні планети, а іноді при­зводять до глобальних екологічних катастроф.

Глибинні товщі літосфери, які досліджують геофізич­ними методами, мають досить складну й ще недостатньо вивчену будову, так само, як мантія та ядро Землі. Але вже відомо, що з глибиною щільність порід зростає, і якщо на поверхні вона становить у середньому 2,3—2,7 г/см³, то на глибині близько 400 км — 3,5 г/см³, а на глибині 2900 км (межа мантії та зовнішнього ядра) —5,6 г/см³. У центрі ядра, де тиск досягає 3,5 тис. т/см², вона збільшується до 13—17 г/см³. Встановлено також і характер зростання гли­бинної температури Землі. На глибині 100 км вона стано­вить приблизно 1300 К, на глибині близько 3000 км — 4800, а в центрі земного ядра — 6900 К.

Переважна частина речовини Землі перебуває в твердому стані, але на межі земної кори та верхньої мантії (глибини 100—150 км) залягає товща пом'якшених, тістоподіб­них гірських порід. Ця товща (100—150 км) називаєть­ся астеносферою. Геофізики вважають, що в розріджено­му стані можуть перебувати й інші ділянки Землі (за ра­хунок розущільнення, активного радіорозпаду порід тощо), зокрема — зона зовнішнього ядра. Внутрішнє ядро перебу­ває в металічній фазі, але щодо його речовинного складу єдиної думки на сьогодні немає.

Гідросфера — це водяна сфера нашої планети, сукуп­ність океанів, морів, вод континентів, льодовикових покри­вів. Загальний об'єм природних вод становить близько 1,39 млрд км³ (1/780 об'єму планети). Води вкривають 71 % поверхні планети (361 млн км²).

Вода виконує чотири дуже важливі екологічні функції:

а) є найважливішою мінеральною сировиною, головним природним ресурсом споживання (людство використовує її в тисячу разів більше, ніж вугілля чи нафти);

б) є основним механізмом здійснення взаємозв'язків усіх процесів у екосистемах (обмін речовин, тепла, ріст біомаси);

в) є головним агентом-переносником глобальних біо­енергетичних екологічних циклів;

г) є основною складовою частиною всіх живих організ­мів.

Для величезної кількості живих організмів, особливо на ранніх етапах розвитку біосфери, вода була середовищем зародження та розвитку.

Величезну роль відіграють води в формуванні поверхні Землі, її ландшафтів, у розвитку екзогенних процесів (схилових, карстових), переносі хімічних речовин в глиб Землі й на її поверхні, транспортуванні забруднювачів довкілля.

Водяна пара в атмосфері виконує функцію потужного фільтра сонячної радіації, а на Землі — нейтралізатора екстремальних температур, регулятора клімату.

Основну масу води на планеті становлять солоні води Світового океану. Середня солоність цих вод — 35 %₀ (тобто в 1 л океанічної води міститься 35 г солей). Найсолоніша вода в Мертвому морі — 260 %₀ (у Чорному — 18 %о, Балтійському — 7 %о).

Хімічний склад океанічних вод, як вважають спеціаліс­ти, дуже схожий на склад людської крові — в них містять­ся майже всі відомі нам хімічні елементи, але, звичайно, в різних пропорціях. Частка кисню, водню, хлору та нат­рію становить 95,5 %.

Хімічний склад підземних вод дуже різноманітний. За­лежно від складу вміщуючих порід та глибини залягання вони змінюються від гідрокарбонатно-кальцієвих до суль­фатних, сульфатно-натрієвих і хлоридно-натрієвих, за мі­нералізацією— від прісних до рапи з концентрацією 600 %₀, часто з наявністю газової компоненти. Мінеральні та термальні підземні води мають велике бальнеологічне значення, є одним з рекреаційних елементів природного середовища.

З газів, розчинених у водах Світового океану, найбільш важливими для біоти є кисень та вуглекислий газ. Загаль­на маса вуглекислого газу в океанічних водах перевищує його масу в атмосфері приблизно в 60 разів.

Слід зазначити, що вуглекислий газ океанічних вод споживається рослинами під час фотосинтезу. Частина йо­го, яка увійшла в кругообіг органічної речовини, витрача­ється на побудову вапнякових скелетів коралів, черепашок. Після відмирання організмів вуглекислий газ повертається у води океану за рахунок розчинення залишків скелетів, панцирів, черепашок. Частково він залишається в карбо­натних осадках на дні океанів.

Велике значення для формування клімату та інших еко­логічних факторів має динаміка величезної маси океаніч­них вод, що постійно перебувають у русі під впливом неод­накової інтенсивності сонячного прогрівання поверхні на різних широтах.

Океанічні води відіграють основну роль у кругообігу" води на планеті. Підраховано, що приблизно за 2 млн ро­ків вся вода на планеті проходить через живі організми, середня тривалість загального циклу обміну води, залуче­ної в біологічний кругообіг, становить 300—400 років. При­близно 37 разів на рік (тобто кожні десять днів) змінюєть­ся вся волога в атмосфері.