Структура природной среды

1Природная среда и ее характеристика

Специализированная организация ЮНЕСКО, которая относится к ООН, сформулировала определение понятия «окружающая среда», которое включает комплекс природных, антропогенных и социальных факторов жизни человека. Природная среда – это совокупность тел, явлений, организмов, то есть всех условий, в которых происходит развитие живого вещества, которые прямо или косвенно влияют на живые организмы, включая и человека.

Природная среда – это очень сложная, многофункциональная система, которая существовала и развивалась миллионы лет и которая требует для нормального развития определенных условий. При сохранении оптимальных условий естественные процессы стремятся к состоянию динамического равновесия и саморегулирования, которые характеризуются устойчивостью, стабильностью. Саморегулирование и самовосстановление природной среды происходит благодаря действию особых законов обмена вещества и энергии. Все компоненты природной среды тесно связаны между собой, зависят один от другого, чутко реагируют на любые изменения. Обратные связи приводят к сложной цепочке изменений, которые зачастую трудно прогнозировать.

Человек на современном этапе развития своей деятельностью настолько разбалансировал природные связи, что природная среда начала деградировать, теряя способность к самовосстановлению.

Таким образом, природная среда – это комплекс постоянно взаимодействующих элементов и процессов 4-х ее составляющих экзосфер (поверхностных оболочек) Земли: атмосферы, литосферы, гидросферы и биосферы. Каждая из экзосфер имеет свои составные элементы, свою структуру и особенности. 3 из них (атмосфера, литосфера, гидросфера) образованы неживым веществом (образуют абиотическую среду) и являются местом функционирования живого вещества (биоты) – главного компонента биосферы.

2 Атмосфера

Атмосфера – это внешняя газовая оболочка Земли, которая простирается от ее поверности в космическое пространство приблизительно на 3 000 км. Термин происходит от греческих слов: атмос – пар, дыхание, сфера – шар.

История возникновения и развития атмосферы достаточно сложная и продолжительная, она насчитывает примерно 3 млрд. лет. За этот период состав и свойства атмосферы неоднократно изменялись, но в течение последних 50 млн. лет, как считают ученые, они стабилизировались.

Первый научны йтруд об атмсофере принадлежит Аристотелю (4 век до н.э.). В русскую науку этот слово ввел Ломоносов. В 18 веке Лавуазье (фр.) открыл, что воздух является смесью различных газов.

Масса атмосферы составляет ~ 5,15*10¹⁵ т. Главными основными частями атмосферы являются

N₂ –78,08 % (об.);

O₂ – 20,95 %;

Ar – 0,93 %;

CO₂ – 0,03 %;

Остальные вещества (неон, гелий, криптон, ксенон, оксиды азота, водород, метан, озон и др.) находятся в весьма малых количествах, например :

H₂ – 0,3*10^-5;

O₃ – 3,6*10^-5.

В атмосфере, кроме указанных газов, присутствуют также различные аэрозоли – пылеватые или водяные частицы, находящиеся во взвешенном состоянии в газообразной среде. Содержание водяного пара : от 0,2% в приполярных районах до 3% вблизи экватора.

По химическому составу вся атмосфера Земли подразделяется на нижнюю (до 100 км) – гомосферу, имеющую состав, сходный с приземным воздухом, и верхнюю – гетеросферу, неоднородного химического состава. Для верхней атмосферы характерны процессы диссоциации и ионизации газов, происходящие под влиянием излучения Солнца.

Атмосфера подразделяется на несколько сфер. Тропосфера – это нижняя часть атмосферы, в которой сосредоточено более 80 % массы всей атмосферы. Ее высота определяется интенсивностью вертикальных (восходящих и нисходящих) потоков воздуха, вызванных нагреванием земной поверхности. Поэтому она на экваторе простирается до высоты 16-18 км, в умеренных широтах – до 10-11 км, а на полюсах – до 8 км. В тропосфере происходят самые интенсивные тепловые процессы, причем атмосфера нагревается снизу, от поверхности океана и суши. Отмечено закономерное понижение температуры воздуха с высотой – всреднм на 0,6 ⁰С на каждые 100 м. (У верхней границы тропосферы она достигает примерно – 60 ⁰С.)

Стратосфера – располагается выше тропосферы до высоты 50-55 км. Температура у ее верхней границы повышается, что связано с наличием здесь озонового слоя (находится на высоте 20-50 км). Для нее характерны слабые воздушные потоки, малое количество облаков. Температура до высоты 25 км практически постоянна ( - 60 ⁰С) а затем повышается , достигая 0 ⁰С у верхней границы.

Мезосфера - верхняя граница этого слоя находится до высоты 80 км. Главная ее особенность – резкое понижение температуры (минус 75-90 ⁰С) у ее верхней границы. Здесь фиксируются серебристые облака, состоящие из ледяных кристаллов.

Термосфера (ионосфера) – располагается до высоты 800-1000 км, и для нее характерно значительное повышение температуры (больше 1000 ⁰С). Под действием ультрафиолетового излучения Солнца газы находятся в ионизированном состоянии. С ионизацией связано свечение газов и возникновение полярных сияний. Термосфера обладает сполсобностью многократного отражения радиоволн, что обеспечивает дальнюю радиосвязь на Земле.

Экзосфера – располагается выше 800 км и простирается до 2000-3000 км. Здесь температура превышает 2000 ⁰С. Скорость движения газов приближается к критической величине 11,2 км/с. Господствуют атомы водорода и гелия, которые образуют вокруг Земли геокорону, простирающуюся до высот 20 тыс. км и постепнно переходящую в межпланетный вакуум.

Атмосфера имеет очень большое экологическое значение: 1) она защищает все живые организмы Земли от губительного влияния космического излучения и ударов метеоритов (основная часть которых сгорает на высоте 6-70 км; нежесуточно над Москвой в атмосфере сгорает около 200 метеоритов); 2) регулирует сезонное колебание температур, уравновешивает и выравнивает суточные колебания температур (в отсутствие атмосферы суточные колебания температуры у поверхности Земли достигали бы +- 200 ⁰С); 3) через атмосферу происходят главные жизненные процессы биосферы – дыхание организмов, фотосинтез и обмен энергией (человек при дыхании потребляет в сутки 12-15 кг воздуха, в минуту – от 5 до 100 л); 4) атмосфера участвует в распределении света; 5) в атмосфере распространяется звук . Голубой цвет неба обусловлен тем, что молекулы основных компонентов воздуха рассеивают, главным образом, лучи с короткой длиной волны (фиолетовые, синие, голубые). Цвет в стратосфере – черно-фиолетовый, так как по мере удаления от поверхности Земли уменьшается плотность атмосферы и ее загрязненность, цвет неба становится темнее.

3 Литосфера

Литосфера – внешняя твердая оболочка Земли, которая включает всю земную кору с частью верхней мантии Земли. («Литос» означает «камень».) Литосфера состоит из различных типов пород (изверженных ~ 90%, осадочных и метаморфизованных). Нижняя граница литосферы нечеткая и определяется резким уменьшением вязкости пород, изменением скорости распространения сейсмических волн и увеличением электропроводности пород. Толщина литосферы на континентах и под океаном различается и составляет в среднем 25-200 км и 5-100 км соответственно.

Рассмотрим в общем виде геологическое строение Земли. Третья по удаленности от Солнца планета имеет радиус 6370 км, среднюю плотность 5,5 г/см³ , массу – 5,98·10²⁴ кг (6∙10²¹ т). Состоит из трех облочек – коры (5-80 км), мантии – (2900 км от поверхности, толщина слоя 2895-2820 км) и ядра (радиус 3470 км). Мантия и ядро делятся на внешние и внутренние части.

Земная кора – тонкая верхняя оболочка Земли, которая имеет толщину на континентах 40-80 км, под океаном – 5-10 км и составляет всего 1% массы Земли. На 99,5 % земная кора состоит из O, Si, H, Al, Fe, Mg, Ca, Na. Доля различных горных пород в земной коре: ~ 70% - магматические (граниты, базальты), ~ 17% - метаморфизованные (сланцы, преобразованные высокими давлением и температурой, ~ 12% - осадочные (глины, пески, песчаники, карбонаты). На континентах кора трехслойная: осадочные породы покрывают гранитные, гранитные залегают на базальтовых. Под океаном кора двухслойная: осадочные породы залегают прямо на базальтах, гранитного слоя нет. Наибольшую толщину земная кора имеет в горных районах (например, под Гималаями -–более 75 км), среднюю – в районах платформ (под Западно-Сибирской низменностью – 35-40 км), минимальную – в центральных районах океанов.

Большая часть земной поверхности – это равнины континентов и океанического дна. Континенты окружены шельфом – мелководной полоской глубиной до 200 м и средней шириной – 80 км, которая после резкого обрывистого изгиба дна переходит в континентальный склон (уклон изменяется от 15-17 до 20-30 ⁰). Склоны постепенно выравниваются и переходят в пологое дно, где глубина достигает 3,7-6,0 км. Наибольшие глубины имеют океанические желоба (до 9-11 км), большинство которых расположено в северной и западной частях Тихого океана.

Поверхностный слой континентальной земной коры называется почвой. Почва – это органоминеральный продукт многолетней совместной деятельности живых организмов, воды, воздуха, солнечного тепла и света. В зависимости от климатических и геолого-географических условий почвы имеют толщину от 15-25 см до 2-3 м.

Основателем научного почвоведения является выдающийся украинский ученый В.В. Докучаев (1846-1903), который впервые дал определение «почвы», выявил главные отличительные свойства и раскрыл сущность почвообразовательного процесса.

Почвы возникли вместе с живой природой и развивались под влиянием деятельности растений, животных, микроорганизмов. Основная масса организмов и микроорганизмов литосферы сосредоточена в почвах на глубине до нескольких метров. Свойства почвы зависят от многих факторов:

- от характера материнских пород (физические свойства, водный и тепловой режим, скорость продвижения веществ в почве, минералогический и химический состав, тип почвы (подзодистые, серые лесные) и др.);

- от растительности, которой принадлежит основная роль в создании органических соединений почвы (растения создают сложные органические соединения; в процессе отмирания растений органические вещества попадают в почву в виде корневого и наземного спада; неразложивший ся растительный материал оказывает влияние на газообмен почвы, проницаемость для осадков, тепловой режим, почвенную фауну, микроорганизмы);

- от животных (представлены в почве в основном беспозвоночными – дождевыми червями, нематодами; из позвоночных – кроты,мыши-полевки);

- микроорганизмов – бактерий, вирусов, низших грибов, одноклеточных водорослей и др.;

- климата (водный, тепловой режим, биологический, физико-химический процессы);

- рельефа;

- хозяйственной деятельности человека (последние годы).

Современные почвы являются трехфазной системой (разнозернистые твердые частицы, вода, газы, растворенные в воде и находящиеся в порах). Твердая часть почв представлена смесью минеральных веществ (продуктов разрушения горных пород) ~ 60-90% и органических веществ (продуктов жизнедеятельности организмов).

Важнейшим компонентом почв является гумус.Именно содержанием гумуса определяется плодородие почвы. Гумус – это темно-окрашенное органическое вещество, образующееся в результате биохимического разложения растительных и животных остатков. Это один из главных источников питания растений. Гумус состоит из двух групп органических соединений: 1) соединения, содержащиеся в растительных и животных остатках (10-15 % от всей массы органики почвы) – белки, углеводы, жиры, смолы, лигнин, фосфаты); 2) основной фонд гумуса, представленный собственно гумусовыми веществами, возникшими при преобразовании органических остатков (85-90 %): фульвокислоты, гумин, гуминовые кислоты и др. Процесс переработки растительных и животных остатков называется гумификацией (протекает при частии насекомых, бактенрий, грибов). Одновременно с гумификацией происходит минерализация органического вещества – выделение из него ионов минеральных элементов, которыми питаются растения.

Больше всего гумуса в черноземе – 10-15 %, меньше всего – сероземах пустынь – 1-2- %, в подзолистых почвах – 2,5-4 %, в серых лесных – 4-6 %.

Экологическое значение литосферы заключается в следующем:

- плодородии почвы - способности обеспечивать рост и развитие растений (это свойство представляет исключительную ценность для жизни человека и всех живущих на суше организмов);

- активном участии почвы в круговороте веществ и энергии в природе;

- почва поддерживает газовый состав атмосферы Земли;

- почва является гигантской экологической системой, оказывающей наряду с Мировым океаном решающее влияние на всю биосферу, ее состояние и свойства;

- в земной коре связаны различные полезные ископаемые: топливо, рудные, строительные, а также такие, которые служат сырьем для химической промышленности;

- в рамках литосферы периодически происходят экологические процессы (оползни, сели, обвалы, эрозия почв), которые имеют большое значение для формирования экологических ситуаций в отдельных регионах планеты, а иногда приводят к экологическим катастрофам.

4 Гидросфера

Гидросфера – это водная оболочка Земли, которая включает Мировой океан, воды континентов (реки, озера, болота, ледники, подземные воды). («Гидор» - вода с греч.)

Общий объем природных вод составляет около 1,4 млрд. куб. км (1/780 объема планеты). Вода покрывает 71% поверхности планеты (361 млн. кв. км).

Основную массу воды на планете составляют соленые воды Мирового океана (94,3 %). Средняя соленость этих вод - 3,5 % (в 1 л воды содержится 35 г солей). Самая соленая вода – в Мертвом море (26 %), в Черном море – 1,8 %. На долю подземных вод приходится 4 % (Коробкин – 1,7%), на ледники – 1,7 %, озера и болота – 0,02 %, реки – 0,0001 % (Коробкин – 0,0002%). Пресная вода составляет всего ~ 2% от всей воды на планете.

Океанические воды содержат почти все известные химические элементы, но на 95,5 % состоят из кислорода, водорода, хлора и натрия. Химический состав подземных вод очень разный, зависит от состава вмещающих пород и глубины их залегания. Они бывают гидрокарбонатно-кальциевые, сульфатные, сульфатно-натриевые, хлоридно-натриевые и другие. В качестве растворенных газов вода содержит кислород и диоксид углерода в большом количестве, другие газы.

Воде принадлежит важнейшая роль в истории развития нашей планеты, так как с ней связано зарождение и развитие живого вещества, а следовательно, и всей биосферы.

Вода выполняет важнейшие экологические функции:

• с участием воды осуществляются многочисленные процессы в экосистемах (обмен веществ, тепла, рост биомассы); вода в биосфере выступает в роли универсального растворителя, обеспечивает перенос растворенных веществ, например, обмен веществ между сушей и океаном, организмами и окружающей средой;

• вода является основной составляющей частью всех живых организмов (в растениях среднее содержание воды – 90%, в животных – 70%);

• гидросфера находится в тесной взаимосвязи с литосферой (подземные воды), атмосферой (парообразная вода), живым веществом;

• воды Мирового океана – основной климатообразующий фактор, главный аккумулятор солнечной энергии; вода играет большую роль в формировании поверхности Земли, ее ландшафтов; для многих организмов вода – среда обитания;

• вода является важнейшим минеральным сырьем, главным ресурсом потребления человечества (человек использует воды в тысячу раз больше, чем угля и нефти).

Лекции 3-4