Гл8. Функционирование и динамика географической оболочки.

14.Эндогенная энергия – энергия земных недр, которая поступает в го главным образом в двух формах: теплового потока (теллурические токи) и путем механических перемещений.

Тепловой поток неравномерно распределен по земной поверхности, что связано с характером тектонических структур и возрастом земной коры. Наибольшие значения теплового потока наблюдаются на срединно-океанических хребтах, в сейсмоактивных и вулканических районах. Другими источниками эндогенной энергии являются: гравитационная дифференциация земного вещества по плотности, распад радиоактивных элементов, внутреннее трение масс вещества, сопровождающее гравитационную дифференциацию, приливное трение. Определенную часть эндогенной энергии составляет солнечная энергия, поступившая на земную поверхность ранее и сохранившаяся в «геохимических аккумуляторах» - горючих полезных ископаемых и горных породах абиогенного происхождения и рассолах, законсервированных в земной коре.

Экзогенная энергия – все виды энергии, поступающей к Земле из Космоса. В количественном отношении она на 97% состоит из электромагнитного излучения Солнца – солнечной радиации. Электромагнитное излучение Солнца содержит широкий спектр волн разной длины. Ультракоротковолновая радиация проникает до высоты 100-200 км и задерживается в ионосфере. Более длинные волны распространяются до высоты 70-80 км. Жесткая УФ радиация – 25-28 км. В тропосферу и непосредственно к земной поверхности поступают мягкая УФ радиация, видимое световое и инфракрасное излучение. Наряду с электромагнитными потоками в атмосферу проникает корпускулярный поток заряженных частиц – «солнечный» и «космический» ветер. Корпускулярный поток почти полностью поглощается магнитосферой и верхними слоями атмосферы. Его изменчивость, обусловленная пульсациями солнечной активности, вызывает возмущения геомагнитного поля, что отражается на биологических процессах. Соотношение:

Поток энергии	Мощность, Дж/(м2с)
Солнечная энергия (поглощенная атмосферой и земной поверхностью)	2,3102
Энергия космических лучей	210-6 - 310-6
Антропогенное производство энергии	3,210-2
Распад радиоактивных изотопов	~710-3
Энергия приливного трения	3,510-3
Энергия окисления органического вещества	0,4-0,6
Геотермическое тепло	~0,1
Тектоническая энергия	~10-3

15.Поступая в ГО, солнечная энергия существенно трансформируется. Часть электромагнитного излучения поглощается в атмосфере озоном, водяным паром, пылью; другая часть отражается верхней границей облаков и только 40 - 50 % достигает приповерхностного слоя воздуха и земной поверхности.

Большая часть энергии, достигшей земной поверхности, поглощается ею, остальная – отражается. Отношение отраженной радиации к падающей называют альбедо. Величина альбедо изменчива в пространстве и зависти от характера подстилающей поверхности. Минимальное значение альбедо имеет водная поверхность при высоком положении Солнца (≤ 1%), максимальное (97%) – у свежевыпавшего снега. Величина планетарного альбедо составляет 30 – 35%.

Поглощённая солнечная энергия нагревает земную поверхность, тем самым поверхность Земли сама становится источником только уже теплового излучения (или энергии) в тропосферу. Примерно 96% теплового излучения земной поверхности поглощается водяным паром, диоксидом углерода (СО₂) и аэрозолями. Поэтому говорят, что земное излучение как бы «запирается» в приповерхностном слое воздуха по принципу работы парника. Это явление называют парниковым или тепличным эффектом (естественный процесс функционирования ГО). Благодаря этому эффекту существует жизнь и сама ГО. Средняя температура земной поверхности 14,2^о (около 15^о) С. Это на 38^о выше расчетной температуры радиационного равновесия. Если бы отсутствовал парниковый эффект, то температура земной поверхности в среднем равнялась бы –23^оС, т.е. Земля была бы ледяной планетой. Поглощая тепловое излучение земной поверхности, атмосфера не рассеивает его в Космос, а возвращает обратно к Земле. Такой процесс называют противоизлучением атмосферы.

Потоки прямой и рассеянной радиации Солнца и противоизлучение атмосферы формируют радиационный бюджет земной поверхности. Он выражается следующей формулой:

R = S + D – O – E_З + E_А

R – радиационный баланс;

S – прямая радиация;

D – рассеянная радиация;

O – отраженная радиация;

E_З – излучение земной поверхности;

E_А – противоизлучение атмосферы.

Среднегодовая сумма R колеблется от отрицательных значений в полярных и околополюсных районах до 4,8 10⁹ Дж/м². В среднем для Земли он положителен и составляет 3,16 10⁹ Дж/м² в год.

В целом же Земля как планета теряет почти столько же энергии, что и получает. Только малая часть энергии накапливается в органическом веществе и геохимических аккумуляторах. Поэтому говорят, что Земля находится в лучистом равновесии.

Радиационный бюджет земной поверхности расходуется на испарение воды и влаги, нагревание почвы и воздуха, таяние снега и льда, фотосинтез, почвообразование и выветривание горных пород. Наблюдается равенство между приходом энергии и ее расходом на указанные процессы, что отображается в виде уравнения теплового баланса земной поверхности:

R = LE + P ± B + F + C

R – радиационный бюджет,

LE – теплота, затрачиваемая на испарение воды, таяние снега и льда,

P – перенос теплоты в воздухе турбулентными потоками,

B – теплообмен земной поверхности с почвой и ГП,

F – расход энергии на фотосинтез,

C – расход энергии на почвообразование и выветривание.

Очень часто энергию, затрачиваемую на фотосинтез, почвообразование и выветривание, отбрасывают при расчете теплового баланса, т.к. ее величина составляет менее 1 %. В реальности эта доля энергии имеет большое значение, поскольку может аккумулироваться, а затем преобразовываться в другие виды энергии. Этот процесс, будучи маломощным, оказывает существенное воздействие на ГО. В ней скопилось порядка 11 10¹⁴ Дж/м² энергии в рассеянном органическом веществе в осадочных породах, а также в виде каменного угля, нефти, горючих сланцев. Использование запасов этой энергии является основой традиционной энергетики.

Структура теплового баланса зависти от географической широты и типа ландшафта, т.е. она изменяется от экватора к полюсам и при переходе с океана на сушу и наоборот. Суша и океан различаются по величине поглощения радиации и по характеру распределения теплоты на глубину. В океане летом теплота распределяется в глубину на несколько сот метров (океанический термоклин). На суше теплота проникает на глубину всего лишь в несколько метров и за летний период накапливает тепла в 10 – 25 раз меньше, чем океан. Океан зимой охлаждается меньше, чем суша благодаря запасу теплоты, накопленной в умеренных и отчасти высоких широтах летом и в жарком поясе на протяжении всего года. Расчеты показывают, что разовое содержание теплоты в океане в 21 раз превышает ее поступление к земной поверхности в целом. Даже в 4-х метровом слое океанических вод теплоты в 4 раза больше, чем во всей атмосфере. Около 80 % энергии, поглощенной океана, тратится на испарение воды, остальные 20 % участвуют в турбулентном теплообмене с атмосферой.

Положительный баланс солнечной радиации в океане наблюдается в низких широтах (до 30^о – 40^о включительно в обоих полушариях). Отсюда избыток энергии переносится океаническими течениями и циркуляцией атмосферы в более высокие широты, повсеместно смягчая климат: в низких широтах – в сторону уменьшения жары, а в средних и высоких широтах – в сторону смягчения холодов.

Распределение температуры. Самая высокая температура наблюдается на термическом экваторе – линии, соединяющей точки с наиболее высокой среднегодовой температурой. Термический экватор – волнистая линия на широте 5^о с.ш. в океане и 10^о с.ш. на материках. Вверх от земной поверхности в пределах тропосферы температура понижается в среднем на 0,6^оС на каждые 100 метров высоты. В земной коре температура повышается с глубиной на 3^о на каждые 100 метров. В океане наблюдается двуслойная стратификация вод: теплый слой (несколько сотен метров за исключением высоких широт) и холодный, к которому относится основная масса воды (в глубину от 1000м). Глубинные воды Мирового океана имеют температуру от 1 до 2,5^оС, а средняя температура составляет 4^оС. Таким образом, усиление вертикального перемешивания вод океана приводит к снижению температуры его поверхности и общему охлаждению географической оболочки.

16. Атмосфера – наиболее подвижная часть ГО. В механическую энергию атмосферных движений переходит 1-2 % усваиваемой земной поверхностью солнечной энергии. Этот переход осуществляется в процессе функционирования географических тепловых машин (по В.В. Шулейкину). Самой большой географической тепловой машиной (ГТМ) является система «экватор-полюсы», которую называют ГТМ первого рода (связаны наиболее крупномасштабные движения в атмосфере). В этой тепловой машине разность температур постоянно поддерживается неравномерностью поступления солнечной радиации на сферичную Землю. Различия в нагревании материков и океанов приводят к возникновению тепловых машин второго рода. С ними связано зарождение внетропических муссонов. Эта ГТМ меняет свой знак в зависимости от сезона года: зимой роль нагревателя выполняет океан, летом – суша. Географическую машину третьего рода образуют циклонические и антициклонические кольца океанической циркуляции. ГТМ 4 рода – это система, в которой происходит вертикальный перенос теплоты в атмосфере от земной поверхности, а также от слоев локального нагревания в атмосфере. ГТМ пятого рода В.В. Шулейкин назвал систему тропического урагана. Тропический циклон представляет собой замкнутый «энергетический насос», посредством которого энергия Мирового океана передается в атмосферу и пространственно перемещается. Каждое такое образование перекачивает, как правило, несколько десятков кубических км воды в форме водяного пара и соответствующее количество энергии фазового перехода, которая выделяется, когда водяной пар конденсируется, и тратится на механическую работу и нагревание атмосферного воздуха (последнее в свою очередь порождает механическую работу). Тепловую машину 6 рода образуют синоптические вихри, развивающиеся в океане на границах течений и в центральных частях круговоротов и являющиеся физическим аналогом циклонов и антициклонов атмосферы. Крупномасштабные вертикальные кольца циркуляции наблюдаются в низких широтах. В экваториальной зоне воздух поднимается вверх. В верхней тропосфере он направляется в сторону тропиков в виде антипассата. На широте 30-35гр. происходит опускание воздуха, оттуда он направляется к экватору в виде пассата. Это вертикальное кольцо циркуляции было названо ячейкой Гадлея в честь английского ученого XVIII в., изучавшего пассатную циркуляцию. Совокупность движений атмосферного воздуха образует атмосферную циркуляцию. Основа возникновения – неравномерное распределение тепла в атмосфере (термический фактор). Общее представление о закономерностях движений воздуха можно получить при анализе среднего многолетнего распределения атмосферного давления (АД) и преобладающих ветров у земной поверхности в январе и июле. В распределении АД проявляется зональность с одной стороны, и влияние материков и океанов - с другой стороны. Зональность – наблюдается широтное чередование зон высокого давления и низкого давления. В области экватора давление ниже, чем в тропических и субтропических областях. Высокое давление в этих поясах сменяется низким в умеренных и субполярных широтах. К полюсам снова происходит небольшое увеличение давления. От субтропической области высокого давления в сторону экватора направлены пассаты, отклоняющиеся от градиента давления под действием силы Кориолиса, приобретающие восточную составляющую. В умеренных широтах господствует западный перенос, в полярных – восточный. Это осредненная картина, которая лишь в отдельные моменты совпадает с реальной действительностью. Изменчивость и непостоянство – характерные черты атмосферной циркуляции. В средних и высоких широтах перенос воздуха в больших масштабах осуществляется в виде вихревых потоков – циклонов и антициклонов. Циклон – движущаяся восходящая система потоков воздуха, образующих спираль, закручивающуюся в северном полушарии против часовой стрелки, в южном – по часовой. Поэтому в северном полушарии при перемещении циклонов с запада на восток (от 40^о до 80^о) в передней части происходит перенос воздуха с юга на север, в тыловой части – с юга на север. В южном полушарии аналогичный процесс, но противоположное направление потоков воздуха. Одновременно в циклонах существуют вертикальные движения – в центральной части воздух поднимается вверх.

В антициклонах воздух движется по спирали от центра, где наблюдается высокое давление. Одновременно происходит опускание воздуха в центре антициклона.

В циклонах и антициклонах формируются особые погоды. На территории, занятой циклоном, наблюдается низкое давление, как правило, выпадают атмосферные осадки, происходит резкая смена направления и скорости ветра.

Распространение циклонов и антициклонов соответствует минимумам и максимумам давления, а соответственно им распределяются атмосферные осадки. Увеличение осадков в циклонах связано с поднятием воздуха на атмосферных фронтах. В процессе поднятия воздух охлаждается. При определенной температуре происходит конденсация или сублимация водяного пара в воздухе. Образовавшиеся капли воды или кристаллы льда при достижении достаточных размеров падают на земную поверхность. В антициклонах воздух опускается, сжимается, нагревается и удаляется от точки насыщения.

В атмосфере наблюдается также местная циркуляция, связанная с формами рельефа, ледниками, взаимодействием суши и водоемов и др. Например: фён – теплый, иногда, горячий, сухой ветер, дующий с гор со значительной силой. Обычно он продолжается меньше суток, редко неделю. Наиболее типичный фён наблюдается в случае, когда воздушное течение общей циркуляции атмосферы переваливает через горный хребет. В горах фёновая погода наблюдается часто (Инсбрук в Альпах – 80 дней в году) – горы Средней Азии, Скалистые горы Америки и др. горные системы; бора – штормовой и очень холодный ветер, дующий через низкие горные перевалы преимущественно в холодную часть года. В Новороссийске он называется норд-остом, на Байкале – сармой, в долине Роны – мистралью. Аналогичные, но меньшей силы ветры свойственны многим горным системам умеренного пояса; также выделяют горно-долинные, склоновые, ледниковые ветра, бриз и др.

17. Круговорот воды в природе.

Одним из важнейших процессов в ГО является круговорот воды. Водные потоки выполняют большую разрушительную и одновременно созидательную работу, осуществляя эрозию, перенос минерального вещества и теплоты, производя аккумуляцию (накопление) вещества. Вода обеспечивает физиологические потребности растений, используется в хозяйственных целях человеком, что нарушает и усложняет природный круговорот воды.

В природном круговороте воды выделяют три основных звена:

1) материковое

2) океаническое

3) атмосферное.

1) Материковое звено круговорота воды. Попадая на поверхность суши в виде атмосферных осадков, вода либо просачивается в почву и кору выветривания (процесс инфильтрации), либо стекает по поверхности, формируя поверхностный и речной сток, а затем вливается в озера, моря, океаны (бассейны стока).

Часть воды испаряется непосредственно с поверхности почвы и водоемов, с поверхности надземных частей растений (транспирация), а также из почвы, коры выветривания и горных пород после подъема по капиллярам к поверхности.

Часть просочившейся в почву влаги перемещается в виде внутрипочвенного стока или в виде грунтовых и подземных вод. Грунтовые и подземные воды могут изливаться на земную поверхность на склонах, в руслах рек, в местах выклинивания водоносных горизонтов. Часть подземных вод пополняет запасы глубинных подземных вод, тем самым надолго выпадая из системы активного водообмена.

Активный водообмен совершается в пределах речных бассейнов – самоорганизующихся систем русел и склонов. Внешне речная сеть аналогична дереву: элементарные (первичные) потоки напоминают листья, более крупные водотоки соответствуют ветвям, а главная река соответствует стволу дерева, который заканчивается корнем (устьем реки).

Специфический элемент материкового звена круговорота воды – ледники. Материковые ледники Антарктиды и Гренландии под действием собственной тяжести растекаются по краям. Поступающие сверху новые порции снега в результате самоуплотнения переходят в фирновый лед, что восполняет убыль льда за счет растекания по краям. Скалывающиеся глыбы материкового льда, всплывая на поверхность моря, образуют айсберги. Горные ледники движутся от областей питания к областям абляции (таяния, испарения) в виде языков. Масса ледников на Земле в течение геологической истории испытывала большие колебания. Несколько раз на планете происходили крупные материковые оледенения, когда огромные массы воды изымались из океана и сосредотачивались в виде материковых ледниковых покровов на суше (в основном в околополярных областях). В эти периоды уровень Мирового океана снижался на 100 м и более. Напротив, в межледниковые эпохи ледники исчезали почти полностью, что приводило к повышению уровня океана.

2) Океаническое звено природного круговорота воды. Совокупность перемещений воды в океане складывается из движений и круговоротов различных пространственных и временных масштабов. Периоды движений колеблются от секунд (и менее) до многих сотен лет, а пространственные масштабы течений (в горизонтальной плоскости) и токов (вертикально) – от миллиметров до тысяч километров. В перемещениях вод в океане выделяют турбулентность, поверхностные и внутренние волны, приливы и отливы, океанические меандры и вихри, течения.

В соответствии с зональным распределением солнечной энергии по поверхности планеты, в океане и атмосфере создаются однотипные и генетически связанные циркуляционные системы. Перемещение и водных, и воздушных масс определяется неравномерным нагреванием и охлаждением поверхности Земли. От этого в одних районах возникают восходящие токи и убыль массы, в других – нисходящие и увеличение массы (воздуха или воды). Рождается импульс движения. Перенос масс – приспособление их к полю силы тяжести, стремление к равномерному распределению. Важнейшим механическим фактором океанической циркуляции является ветровое трение о поверхность воды, благодаря которому океан получает механическую энергию от атмосферы. Ветер вызывает дрейфовые течения, которые обуславливают сгон воды в одних районах и нагон в других. В результате возникают сгоновые и стоковые течения. Кроме данных причин образованию течений способствуют термохалийные факторы: получение и отдача теплоты, атмосферные осадки, испарение, через эти характеристики – влияние на соленость, вызывая вертикальное перемешивание.

Взаимодействие водной и воздушной оболочек начинается с тончайшего не более 1 мм слоя. С него происходит испарение, он воспринимает удары и трение воздуха, на него падают лучи Солнца. При волнении ветром срываются капли воды с растворенной в них солью. Это – механическое испарение. Воздушные пузырьки воды лопаются, и в воздухе оказывается водяной пар и кристаллы соли. Под действием солнечного тепла происходит физическое испарение. От поверхности воды отрываются молекулы воды, а с ними и соль. Так в атмосферу проникают пар и аэрозоли. При этом происходит перераспределение ионов соли: хлориды остаются в растворе, а сульфаты становятся аэрозолями, а затем поступают в атмосферу осадки. Этим, а также вымыванием солей из грунта материков объясняется преобладание в водах суши сульфатов, а в океане - хлоридов. Следовательно, при солевом обмене между океаном и атмосферой, образно называемым солевым дыхание океана, соли не только переходят из воды в воздух, но и меняется их состав. Речной сток восполняет убыль сульфатов в океане в процессе обмена солями в системе «океан – атмосфера – суша».

При постоянном перемещении водных масс в одних местах они сходятся, в других расходятся. Сходимость называется конвергенцией, расходимость – дивергенцией. При конвергенции вода накапливается, уровень океана повышается, увеличивается давление и плотность воды, и она опускается. При дивергенции происходит понижение уровня и подъем глубинной воды.

Выявлена следующая усредненная схема общей циркуляции океанических вод. В каждом полушарии по обе стороны от термического экватора существуют большие круговороты течений вокруг субтропических максимумов давления. В северном полушарии движение происходит по часовой стрелке, в южном – против (антициклонические циркуляционные системы). Например, в Атлантическом океане тропическое кольцо течений северного полушария включает Северное пассатное, Гольфстрим, Северо-Атлантическое, Канарское.

Между ними выявлены экваториальные межпассатные противотечения, направленные с запада на восток. В умеренных и субполярных широтах вокруг барических минимумов наблюдаются малые кольца течений (циклонические системы движения воды). Движение в них осуществляется в северном полушарии против часовой стрелки, а в южном полушарии существует мощное циркумполярное течение или Западный дрейф (течение западных ветров) в Южном океане на 40-50–х широтах. В Северной Атлантике такое кольцо включает Северо-Атлантическое течение, течение Ирмингера, Восточногренландское и Лабрадорское.

Антициклонические и циклонические кольца течений связаны между собой таким образом, что одно какое-либо течение может одновременно являться ветвью того и другого круговорота течений (например, Североатлантическое течение).

Наиболее устойчивыми являются Северное и Южное пассатные течения по обе стороны от экватора в Атлантическом, Тихом и Индийском океанах (в последнем только Южное пассатное). Эти течения «перекачивают» воду с востока на запад. Компенсационные аналоги – экваториальные межпассатные течения в направлении с запада на восток. У восточных берегов материков в тропических широтах характерны теплые стоковые течения: Гольфстрим, Куросио, Бразильское, Мозамбикское, Мадагаскарское, Восточно-Австралийское. Вдоль западных берегов материков характерны холодные течения-аналоги в субтропических широтах: Калифорнийское, Канарское в северном полушарии и Перуанское, Бенгельское, Западно-Австралийское в южном полушарии.

В северной части Индийского океана муссонная циркуляция вызывает сезонные ветровые течения: Зимнее муссонное – с востока на запад и Летнее муссонное – с запада на восток. Летом в этой части хорошо выражено Сомалийское холодное течение. Оно образуется под действием юго-западного муссона, который отгоняет теплые поверхностные воды у полуострова Сомали, способствуя подъему глубинных холодных вод (зона прибрежного апвелинга).

В Северном Ледовитом океане движение воды и дрейф льдов происходит с востока на запад: от Новосибирских островов в Гренландское море (Трансатлантическое течение).

На глубине свыше 300 м система течений отличается от поверхностной. Обычно наблюдаются противотечения, направленные в противоположную поверхностным течениям сторону. Например, течение Кромвелла в Тихом океане, течения Ломоносова в Атлантическом.

Кроме горизонтального перемещения океанических вод существует и вертикальный водообмен. При вертикальном перемешивании происходит обмен между поверхностными и глубинными водами энергией, солями, питательными веществами. Наиболее интенсивный вертикальный водобмен происходит в зонах конвергенции (сходимости) и дивергенции (расходимости) потоков водных масс. Зоны дивергенции образуются в областях циклонических круговоротов (от центра к периферии), а также у берегов, где преобладает ветер с суши (сгон поверхностных вод). В антициклонических системах и в тех прибрежных зонах, где преобладает ветер с океана, происходит опускание вод.

3) Атмосферное звено природного круговорота воды. Содержание воды в атмосфере невелико: при осаждении всей воды образовался бы слой в 25 мм. Однако скорость влагообмена очень большая: в среднем 1 раз за 8 дней. В результате на земную поверхность в течение года выпадает в среднем слой атмосферных осадков = 1,1 м.

Влага в атмосфере поступает за счет испарения. 80 % радиационного баланса тратится на испарение. Столько же энергии выделяется при конденсации влаги в атмосфере на уровне облаков, причем водяной пар, перемещаясь на сотни и тысячи километров, переносит и большое количество теплоты. Выделение в атмосфере скрытой теплоты парообразования при конденсации – важнейший энергетический источник атмосферных процессов. Водяной пар образно называют «основным топливом атмосферы».

4) Хозяйственное звено круговорота воды. Основными потребителями воды (обычно пресной) являются сельское хозяйство, промышленность и население. В сельском хозяйстве наибольшее количество воды расходуется на орошение (≥ 2 10¹² м³), причем 80 % ее безвозвратно покидает речную сеть (связывается в химических соединениях или расходуется на испарение). Суммарный водозабор на промышленные нужды составляет 0,7 10¹² м³/год (5-10 % безвозвратно). На нужды населения используется около 0,2 10¹² м³/год (шестая часть безвозвратно).

По отношению к речному стоку названные объемы невелики. Однако в наиболее густонаселенных районах Передней и Средней Азии, Африки и в некоторых промышленных регионах уже существует ощутимый дефицит водных ресурсов. Чтобы восполнить этот дефицит прибегают к территориальному перераспределению стока. Однако это создает в ряде случаев многочисленные экологические проблемы.

18.

ПРОДУЦЕНТЫ фотосинтезирующие

АВТОТРОФЫ (зеленые растения и пурпурные бактерии)

(самопитающиеся)

хемосинтезирующие (за счет окисления некоторых неорганических соединений: аммиак, сероводород) бактерии

КОНСУМЕНТЫ

ГЕТЕРОТРОФЫ

(питаются готовым органическим веществом)

К ним относятся животные, некоторые грибы и бактерии. Животные подразделяются на растительноядных, плотоядных и всеядных.

РЕДУЦЕНТЫ

САПРОФИТЫ

(грибы, бактерии; разлагают органические соединения

на простейшие минеральные)

Тропические цепи переплетаются, но могут быть и автономными. Примеры цепей питания в природе: злаки → кузнечики → лягушки →змеи → орел

водоросли → ракообразные → пескарь → окунь → человек

В природе наблюдается баланс органического вещества. Его составляющие:

биомасса – общее количество живого органического вещества в надземных и подземных сферах природного комплекса;

мертвое органическое вещество – сумма органического вещества, заключенного в погибших растениях и животных, лесной подстилке, торфяном горизонте почв, степной подстилке;

продукция – органическое вещество, произведенное за определенный промежуток времени;

опад – органическое вещество, отмирающее за определенный период (обычно за год);

чистая продукция – разность между продукцией и опадом.

Закономерности территориального распределения компонентов баланса органического вещества на суше связано с характером вводно-теплового режима природных комплексов. Тепло и влага влияют на фотосинтез, структуру и видовой состав биоценозов и скорость минерализации. Наибольшая годовая продукция наблюдается во влажных тропических лесах – 2,5-3,5 кг/м³.

Например, территориальные различия скорости разложения органического вещества (определяется по отношению массы мертвого органического вещества к опаду) выглядят следующим образом:

кустарничковые тундры – 92

тайга – 10-20

широколиственные леса – 3-4

субтропические леса – 0,7

влажные тропические леса - 0,1.

В тундре и в меньшей степени в тайге ежегодно отмирающее органическое вещество слабо разлагается. Это объясняется замедленной активностью микроорганизмов в условиях низких температур. Гораздо быстрее процессы минерализации идут в степях и саваннах. Наибольшей скоростью разложения органического вещества характеризуются влажные тропические леса, где высокие температуры сочетаются с хорошим увлажнением.

19. Биогеохимические круговороты. Основной химический элемент живой субстанции – углерод (С). Источником углерода на поверхности Земли является дегазация магмы – значительная его часть вбрасывается в атмосферу при извержениях вулканов. Круговорот С может идти тремя путями. Во-первых, после гибели органики он высвобождается с помощью редуцентов и вновь попадает в атмосферу. Это обращаемая часть круговорота. Во-вторых, часть С захораняется вместе с отмершей органикой в литосфере в виде углей, нефти, битумов и др. При этом углерод может высвобождаться и вновь принимать участие в круговороте лишь при сгорании каустобилитов. В-третьих, часть С растворяется в воде, а затем с участием кальция осаждается биогенным путем в виде карбонатных толщ. В этом случае углерод может высвобождаться только в процессе метаморфизации горных пород. Очевидно, что в двух последних ветвях период полного круговорота С растягивается на сотни миллионов лет.

Круговорот кислорода заключается в образовании его при фотосинтезе, отчасти непосредственно при дегазации магмы и потреблениями его гетеротрофами при дыхании, а также связывается при реакциях окисления. В первом варианте кислород в составе СО₂ вновь участвует в фотосинтезе, во втором – связывается в горных породах. В начале развития атмосферы почти весь свободный кислород связывался ГП; примерно начиная с девона, существует динамическое равновесие между потребляемым и высвобождающимся кислородом.

Круговорот азота также происходит в основном с биохимической составляющей. Он осуществляется с помощью азотфиксирующих бактерий и водорослей почвы, получающих азот из атмосферы. Они строят с его участием аминогруппы белков (-NH₂). После гибели животных и растений связанный азот возвращается в почву. Оттуда он либо вновь поступает в состав организмов, либо в результате процессов нитрификации (возникновения нитратов) и денитрификации (восстановление свободного азота) снова оказывается в атмосфере в молекулярном виде.

20. Благодаря вертикальным и горизонтальным движениям блоков земной коры и магматической деятельности, процессам сноса происходит обмен веществом земной поверхности с мантией. Наиболее яркие проявления этого обмена – вулканизм и землетрясения. Вулканизм играл и играет большую роль в развитии природы земной поверхности. Вулканы извергают от 3 до 6 млрд. тонн вещества в год. Это пеплы, шлаки, лавовые потоки андезитового состава, газы и водяной пар. Водяной пар содержит все компоненты, составляющие атмосферу и гидросферу. Твердое вещество, выделяющееся при извержениях, формирует атмосферный аэрозоль, который, в свою очередь, является одним из факторов климатообразования. Предполагается, что земная кора слагается из вулканических пород и продуктов их метаморфизации. Другие типы движений в земной коре менее заметны, но их суммарный эффект значителен. Это медленные колебательные движения и горизонтальные перемещения. Горизонтальные движения блоков земной коры признаются в настоящее время большинством исследователей. Наибольшей популярностью для объяснения этого перемещения пользуется теория тектоники плит (новая глобальная тектоника). Согласно теории, литосфера состоит из шести основных плит. Плиты изостатически уравновешены на веществе астеносферы и перемещаются в горизонтальном направлении благодаря тепловой конвекции в мантии. В местах схождения плит в одних случаях происходит погружение одной плиты под другую (субдукция) и возникновение глубоководных желобов, сопровождающихся цепочками островов, в других – наблюдается столкновение плит и их взаимная деформация. Результатом такого столкновения, например, считают образование Гималаев при надвигании Индостана на Евразийскую плиту. В местах расхождения плит располагаются срединно-океанические хребты. В срединной зоне каждого хребта имеется грабен или рифт – место растяжения или разрыва литосферы. Одним из подтверждений расхождения плит в зоне срединно-океанических хребтов является разновозрастность осадочных отложений океанического дна: возраст увеличивается от хребтов к краям океанов. Общую схему круговорота минерального вещества в ГО и его обмена с мантией можно представить следующим образом. Осадочные породы, образующиеся на земной поверхности в результате процессов выветривания, переотложения и седиментации, при тектонических опусканиях попадают сначала в нижние слои земной коры и подвергаются там воздействию высокого давления и температур. В результате они превращаются в метаморфические породы. Последние, погружаясь все глубже, переплавляются и превращаются во вторичную магму. Одновременно магма поднимается вверх, происходят вулканические излияния и интрузивные внедрения, дифференциация и кристаллизация вещества магмы, его переработка экзогенными процессами и преобразование в осадочные породы. Так осуществляется главный литосферный круговорот. Обмен веществом с мантией – необходимое условие нормального функционирования ГО. Благодаря такому обмену происходит обогащение земной поверхности СО₂ («строительный камень» органического вещества наряду с водой). При изучении истории формирования ГО было выяснено, что периоды интенсивного накопления органического вещества по времени совпадают с эпохами интенсивного вулканизма. Эти данные послужили А.Б. Ронову сформулировать геохимический принцип сохранения жизни: жизнь на Земле и других планетах возможна лишь до тех пор, пока эти планеты активны и происходит обмен энергией и веществом между их недрами и поверхностью.