Лекция 7 Биосфера

1. Структура биосферы.

2. Эволюция биосферы.

3. Классификация веществ биосферы.

4. Свойства и функции живого вещества.

5. Основные биосферные круговороты веществ.

6. Влияние человека на биосферу. Ноосфера.

1. Структура биосферы.

Самой большой экосистемой является биосфера – оболочка планеты, заселенная живыми организмами. Толщина биосферы около 20 км: организмы обитают над поверхностью суши не выше 6 км над уровнем моря; опускаются не глубже 15 км в толщу суши и 11 км вглубь океана. Но основная масса живого вещества сконцентрирована в приповерхностном слое толщиной всего несколько десятков метров: это высота лесного полога и глубина проникновения основной массы корней. В этих же пределах сконцентрированы наземные и почвенные животные и микроорганизмы. В океане наиболее обжиты растениями и животными освещаемые солнцем и прогреваемые приповерхностные 10–20 м толщи воды. В этом тонком слое биосферы сконцентрировано свыше 90% биомассы растений и животных.

По сравнению с диаметром Земли (13 тыс. км) биосфера – тонкая пленка, подобная кожице на большом яблоке.

Как мы уже говорили, истоки учения о биосфере лежат в работах А.Л. Лавуазье, Ж.Б. Ламарка, А. Гумбольдта. Термин «биосфера» предложил Э. Зюсс. Однако, учение о биосфере создал русский ученый В.И. Вернадский. Он доказал, что за 4 миллиарда лет существования на планете Земля живые организмы вызвали огромные преобразования: в атмосфере появился кислород, раковины моллюсков образовали осадочные горные породы. Под влиянием жизнедеятельности организмов в биосфере постоянно происходит круговорот воды, кислорода, углерода, азота и других веществ. Биосфера, по В.И. Вернадскому, - это общепланетарная оболочка, та область земли, где существует или существовала жизнь и которая подвергается или подвергалась её воздействию.

В биосфере различают три части.

I. Атмосфера (греч. атмос – пар, sphaira - шар) – газообразная оболочка Земли, обеспечивающая защиту от жёстких воздействий космоса и необходимая для существования жизни на планете. Толщина данной оболочки Земли составляет несколько тысяч километров. По мере убывания плотности воздуха атмосфера без чёткой границы переходит в космическое пространство. Верхняя граница атмосферы проходит на уровне 20 тыс. км. Нижняя её граница проходит по уровню земной поверхности. 95% массы всей атмосферы расположено до отметки 25 км высоты, так как удерживается силой земного притяжения. Нижний слой атмосферы, состоящий из смеси газов называется воздухом. Атмосферный воздух, твёрдые частицы во взвешенном состоянии и водяной пар формируют атмосферу. В атмосфере различаются следующие слои:

– тропосфера – нижний 12-километровый слой, влияющий на погоду; в ней содержатся взвешенные в воздухе водяные пары, перемещающиеся при неравномерном нагреве поверхности планеты. Тропосфера составляет 2/3 массы всей атмосферы;

– стратосфера – достигает высоты 55 км. Она включает озоновый слой с максимальной концентрацией озона на высоте 20–45 км. Он задерживает губительные ультрафиолетовые лучи и мягкое рентгеновское излучение солнца. Содержание озона в этом слое в 10 раз выше, чем в атмосфере у поверхности Земли. Если весь этот озон собрать и сжать до давления, равного давлению атмосферы на уровне моря, то его слой составит 3 мм. В процессе образования и разрушения озона происходит поглощение ультрафиолетового излучения. Таким образом, этот слой защищает поверхность планеты от избытка ультрафиолетовых лучей, неблагоприятно влияющих на живые организмы;

– мезосфера – находится на высоте от 55 до 90 км, здесь под действием солнечных лучей протекают различные химические реакции. Температура до верхнего уровня мезосферы постепенно понижается до -80 °С;

- термосфера – находится на уровне от 80 км до 400 км. В этом слое формируются такие явления, как полярные сияния, подсвеченные ночью облака. До уровня в 500 км плотность воздуха убывает в несколько сот тысяч раз. Относительный состав атмосферных составляющих термосферы аналогичен приземному слою тропосферы, но с увеличением высоты большое количество кислорода переходит в атомарное состояние. Определенная доля молекул и атомов термосферы находится в ионизированном состоянии и распределены в нескольких слоях, эти слои называются ионосфера.

– экзосфера – верхний слой атмосферы, нижняя граница – 450-800 км, а верхней границей считается область, где концентрация частиц такая же, как в космическом пространстве, - несколько тысяч км от поверхности Земли. Это самый разреженный слой, состоящий из плазмы – ионизированного газа. В ней длины свободного пробега частиц настолько огромны, что частицы могут свободно удаляться в межпланетное пространство, также в ней находятся радиационные пояса планеты.

Верхние слои атмосферы плавно переходят в космическое пространство.

С высотой меняется химический состав и физические свойства атмосферы. Главные составляющие атмосферы: азот (78%), кислород (20,95%), аргон (0,93%), диоксид углерода (0,03%).

II. Гидросфера – водная оболочка Земли, включающая океаны, моря, реки, озера, подземные воды и ледники. На 94% она представлена солеными водами океанов и морей, а вклад рек в водный бюджет планеты в 10 раз меньше, чем количество водных паров в атмосфере. Три четверти пресной воды недоступны организмам, так как законсервированы в ледниках гор и полярных шапках Арктики и Антарктиды.

Распределение водных масс в гидросфере Земли

(по М.И.Львовичу)

Часть гидросферы	Объем воды, тыс. км3	Доля в общем объеме вод, %
Мировой океан	1 370 000	94,1
Подземные воды	60 000	4,1
Ледники	24 000	1,7
Озера	280	0,02
Вода в почве	80	0,01
Пары атмосферы	14	0,001
Реки	1,2	0,0001
Вся гидросфера	1 454 375	100

III. Литосфера – верхняя твердая оболочка Земли, которая включает в себя земную кору и часть верхней мантии. Толщина литосферы на суше колеблется от 35 – 40 км (на равнинных участках) до 70 км (в горных районах). Под древними горами толщина земной коры 90 км, например под Гималаями. Земная кора под океанами от 5 до 10 км. Толщину земной коры можно определить по скорости распространения сейсмических волн. Литосфера образовалась в результате высвобождения веществ из верхней мантии молодой Земли. Ёе формирование продолжается и сейчас, в основном на дне океана. Большую часть литосферы составляют кристаллические вещества, которые образовались при охлаждении магмы – расплавленного вещества в глубинах Земли. По мере остывания магмы образовались горячие растворы. Проходя по трещинам в земной коре, они охлаждались и выделяли содержащиеся в них вещества. Так как некоторые минералы при изменении температуры и давления распадаются, то на поверхности они преобразуются в новые вещества.

Литосфера подвержена воздействию воздушной и водной оболочек Земли, что выражается в процессе выветривания. Физическое выветривание – это механический процесс, в результате которого порода, размельчается до частиц меньшего размера, не меняя химического состава. Химическое выветривание приводит к образованию новых веществ. На скорость выветривания влияет биосфера, рельеф суши, климат и состав воды. В результате выветривания образовались рыхлые континентальные отложения, мощность которых составляет от 10-20 см на крутых склонах до десятков метров на равнинах и сотен метров во впадинах. На этих отложениях образовались почвы, играющие важнейшую роль во взаимодействии живых организмов с корой.

Земная кора вместе с частью верхней мантии состоит из нескольких больших блоков, которые называются литосферными плитами. Их толщина от 60 до 100 км. Плиты лежат на пластичном слое верхней мантии и медленно движутся друг относительно друга со скоростью 1 – 6 см в год. Верхнюю часть мантии называют астеносферой (греч. asthenes – слабый и sphaira - шар). В связи с малой твердостью и вязкостью образующего ее вещества это самая подвижная сфера земного шара с сосредоточением в ней расплавленных магм. Именно с астеносферой связаны тектонические движения – смятие осадочных пород, разломы и трещины, подъем горных пород и отдельных глыб, извержение вулканов.

В центре Земли расположено ядро. Его радиус 3500 км. Центральная область ядра находится в состоянии, напоминающем жидкость. О составе ядра до сих пор продолжаются споры. По одним гипотезам оно железоникелевое, а по другим – водородное (под высоким давлением водород может перейти в металлическое состояние) Ядро окружено мантией (греч. mantion – покрывало, плащ). Мантия составляет 83% объема Земли, её толщина 2900 км. Мантия Земли разделяется на верхнюю (800-900 км), менее плотную и более эластичную, и нижнюю, кристаллическую, состоящую из тяжелых минералов с железом и магнием.