Тема 3. Экосфера и геосферы Земли.

ВОПРОС 1 Понятие о геосферах. При рассмотрении глобальных экологических проблем чрезвычайно широкое распространение получили термины, связанные со словом «сфера». Вначале они относились непосредственно к Земле как таковой и получили название геосфер. Геосферы – это концентрические оболочки Земли, выделяе­мые в ее строении и отличающиеся по химическому составу, агрегатному состоянию и физическим свойствам. Они представляют собой динамическое единство слагающих компонентов, взаимозависимых и организованных на иерархической основе.

Региональные геометрические и вещественные аномалии свойственны в основном верхним геосферам, в нижних же высокие температура и давление обеспечивают более четкое гидростатическое равновесие и большую геометрическую правильность границ.

Большое внимание вопросу деления Земли на отдельные области и учению о геосферах уделял В.И. Вернадский. Геосферы, согласно В.И. Вернадскому, это «более или менее пра­вильные концентрические слои, охватывающие всю Землю, меняющиеся с глубиной, в вертикальном разрезе планеты...». Образование геосфер связано с тяготением, формой и вра­щением Земли вокруг ее оси. На примере газообразных обо­лочек всех планет ясно, что это – динамические равнове­сия, созданные сложными химическими и геологическими процессами. Они определяются термодинамическими усло­виями среды и сложными физико-химическими процессами, протекающими на планете.

В.И. Вернадский, высказал идеи, оказавшиеся очень существенными для дальнейшего развития учения о геосферах: например, представления о специализированных геосферах и возможности выделения пересекающихся геосфер или оболочек.

Достаточно часто термин «геосфера» используется и в широком смысле, где под ним подразумеваются сплошные или прерывистые оболочки, выделяемые по совокупности каких-либо характерных признаков и (или) процессов, например, биосфера, географическая оболочка, криосфера, магнитосфера и т. д.

Под экологическим функциями понимается значение каждой геосферы в сохранении и эволюции экосистем Земли и биосферы в целом. При этом особо выделяется их роль в эволюции и развитии человеческого общества и жизнедеятельности человека.

От периферии к центру Земли различают следующие геосферы: магнитосферу, ионосферу, атмосферу, гидросферу, литосферу. Нижнюю часть атмосферы (тропосферу), гидросферу и верхнюю часть земной коры, населенную живыми организмами, объединяют под названием биосферы.

Геосферы и экосфера. Экосфера – очень сложная природная система. Планета Земля имеет ярусное строение, и этому соответствует распределение плотно­сти вещества, слагающего ярусы. Чем ближе к центру Земли располо­жена геосфера, тем выше ее средняя плотность. Сложнее всего постро­ена экосфера – область взаимного проникновения и взаимодействия атмосферы, гидросферы, биосферы и верхней части литосферы. Иног­да выделяют также криосферу, или сферу холода, включающую ледни­ки, вечную мерзлоту, снежный покров, ледяной покров водоемов. На суше выделяется также педосфера, или сфера почв. Непосредственная поверхность Земли отличается наиболее сложным строением и режи­мом, в особенности на суше. Можно сказать, что экосфера не имеет четких границ и простирается на первые десятки километров в атмосферу и на первые сотни метров в литосферу, включая в себя поми­мо этих двух сфер также и всю биосферу, педосферу и практически всю гидросферу.

Основные черты пространственной структуры экосферы следующие:

• экосфера по форме близка к шару;

• экосфера трехмерна, что положено в основу общепринятой системы географических координат: широта, долгота и высо­та над уровнем океана;

• поверхность суши и океана («дневная поверхность») – это зона наибольшего взаимодействия геосфер;

• верхняя и нижняя границы экосферы размыты;

• поверхности контактов между различными компонентами эко­сферы наиболее активны. К ним относятся такие контактные зоны, как атмосфера – суша, атмосфера – океан, суша – океан, по­верхности раздела между воздушными и водными массами с раз­личными свойствами (фронты), границы между различными экологическими системами (экотоны).

Экосфера – целостная, внутренне связанная система, обладающая определенной устойчивостью по отношению как к внутренним процес­сам, так и внешним воздействиям. Когда говорят о геоэкологических явлени­ях и проблемах, обычно имеют в виду не всю планету, а экосферу.

ВОПРОС 2 Магнитосфера. Как и ионосфера, магнитосфера относится к плазменным оболочкам Земли. Это область околоземного пространства, физические свойства которой определяются магнитным полем Земли и его взаимодействием с потоками заряженных частиц солнечного происхождения. Наша планета представляет собой магнит в составе Солнечной системы. Как у любого магнита силовые линии выходят из одного полюса и через околоземное космическое пространство (ОКП) замыкаются на другом. Магнитные полюса имеют свое расположение: северный – 77^о с.ш. и 102^о з.д.; южный – 65^о ю.ш. и 139^о в.д..

Магнитосфера – это тонкий электромагнитный каркас Земли, являющийся сложной и самодостаточной системой непрерывных взаимодействий разнородных плазм, электромагнитных и магнитно-акустических волн, широкого спектра энергетических частиц.

Внешние, космологическое, значение данной геосферы заключается в том, что она задерживает потоки солнечных заряженных частиц (т.н. солнечный ветер) – жесткое космическое излучение. Благодаря собственному магнитному полю, Земля отклоняет солнечный ветер и смещает его на ночную сторону планеты. Известно, что за последние 600 тыс. лет было зафиксировано не менее 12 эпох изменения геомагнитного поля (последняя 10-12 тыс. лет), к которым приурочены геологические, климатические и биологические изменения. Геомагнитное поле от максимума до минимума спадает за 2700 лет, а восстанавливается за 8700 лет, т.е. полный цикл проходит за 11400 лет.

Внутреннее значение магнитосферы для Земли и её живых организмов заключается в существовании биологических явлений, связанных с электромагнитным полем. К ним относятся:

1. Способность проростков и корешков высших растений располагаться по магнитным силовым линиям.

2. Положительное воздействие слабого магнитного поля на рост культурных растений и подавление инфекций при поливе намагниченной водой. В то же время сильные магнитные поля с бóльшей напряженностью вызывают различные нарушения и отставание в росте у растений.

3. Ориентация птиц по геомагнитному полю при миграциях.

4. Восприятие магнитного поля рыбами.

Все живое на Земле существует в условиях естественного магнитного поля. Однако электростанции, радио и телетрансляторы, ЛЭП, системы связи и бытовая техника создают искусственные электромагнитные поля. Их общая мощность оценивалась к 2000 г. в 0,01% солнечной радиации, что делает электромагнитное воздействие существенным экологическим фактором. Кроме того, на Земле существуют области сильных магнитных аномалий, связанные с залежами магнетитовых и железных руд, где напряженность магнитного поля в 2-3 раза больше по сравнению с фоном.

Ионосфера. Атмосфера в протекании вертикальных электромагнитных энергопереносов играет попеременно то роль «проводника», то «изолятора». Ионосфера располагается над ней и постоянно находится в состоянии проводника, за счет чего создается режим общепланетарной радиосвязи. Нижняя граница ионосферы отмечается в атмосфере на высоте 50 км от поверхности Земли, т.е. заходит в мезосферу. Верхняя граница этой оболочки простирается до высоты примерно 700 км. По своему составу ионосфера характеризуется высокой концентрацией положительных молекулярных и атомных ионов и свободных электронов. Ионосфера неоднородна и по вертикали делится на несколько слоев, каждый из которых имеет свои особенности. Ионосфера находится в постоянном и сложном движении под влиянием магнитного и электрического полей Земли. Электромагнетизм ионосферы оказывает влияние на климатические режимы планеты и является активным участником радиосвязи.

Атмосфера. С конца XVII столетия этот термин стали использовать для обозначения всего возду­ха, окружающего нашу планету. Атмосфера Земли – газовое образование, окутывающее нашу планету сплошной оболочкой. Атмосфера земли неоднородна по вертикали

В настоящее время ней­тральную атмосферу разделяют на несколько сфер, каждая из которых характеризуется температурой, давлением и со­ставом: тропосфера, стратосфера, мезосфера, термосфера и экзосфера.

В верхних слоях атмосферы происхо­дит ионизация атомов и молекул, протекают химические ре­акции, и имеет место массоперенос. Все это определяется по­токами космических излучений и космических частиц, при­ходящих в эту область. Процессы, здесь происходящие, ока­зывают влияние на биосферу, и на изучение их направлены усилия многих ученых.

1. Тропосфера – от поверхности Земли до высоты 8-12 км в умеренных и высоких широтах и до 16-17 км в тропических и экваториальных областях; причем летом несколько выше чем зимой. Именно в тропосфере находится почти весь водяной пар и поэтому она определяет климат Земли.

2. Стратосфера имеет нижнюю границу на высоте 8-17 км верхнюю – 50-55 км. В отличии от тропосферы температура воздуха растет с высотой; мала турбулентность (перемешивание) воздушных масс, очень мало содержание водяного пара, именно в стратосфере находится основная масса озона.

3. Выше стратосферы до высоты 80 км находится мезосфера. Температура здесь с высотой падает и у верхней границы составляет -80^оС. Основная особенность наличие т.н. серебристых облаков, предположительно состоящих из частиц пыли.

4. Между высотами 80 и 800 км располагается термосфера. На высоте 100 км температура переходит через 0^оС. В слое 150-200 км доходит до 500 ^оС, а на высотах 500-600 км превышает 1500^оС. Такое нагревание обусловлено интенсивной солнечной радиацией. Термосферу иногда называют ионосферой из-за своего состава. Газы в ней находятся большей частью в атомарном состоянии и становятся электропроводными. Именно в ионосфере возникают полярные сияния – физическое явление свечения ионизированных газов.

5. Экзосфера – самая верхняя и наиболее сильно разреженная часть атмосферы. Температура газов достигает 2000^оС.

Во всех этих сферических слоях выделяют переходные слои - тропопаузу и стратопаузу; в ионосфере обнаружены 4 слоя с большей концентрацией ионов. Отдельно выделяют озоносферу – тонкий слой с максимальной концентрацией озона на высотах 20-25 км.

Атмосфера выполняет ряд экологических функций:

1. Обеспечение условий существования и эволюции живых организмов: жизненное пространство и среда обитания живых организмов; газовый состав и обеспечение функции дыхания; наличие озонового экрана – защита от жесткого ультрафиолетового излучения; проводимость солнечной энергии; стимуляция биохимических процессов, приуроченных к специфической воздушной среде; содержание воды в различных агрегатных состояниях, преимущественно в газообразном (водяной пар).

2. Обеспечение условий функционирования гидросферы, литосферы и почвы (педосферы): сорбция веществ поступающих из космоса, гидросферы и литосферы; влияние на протекание экзогенных геологических процессов (выветривание) и почвообразование; воздействие на температурный и газовый режим Мирового океана, его динамику (система течений).

3. Область формирования климата Земли: перемещение воздушных масс, режим осадков и температурная зональность, атмосферное давление.

4. Область формирования экстремальных и катастрофических природных явлений (грозы, молнии, вихри, смерчи, торнадо, тайфуны, бури, циклоны, снегопады, туманы, морозы, засухи).

В целом строение, элементный состав, состояние атмосферы и ее взаимодействие с другими геосферами; протекающие в ней процессы определяют скорость и масштабность воздействия на всю географическую оболочку и близлежащее околоземное космическое пространство.

В 1875 г. Э. Зюсс в своей монографии «Возникновение Альп» ввел термины «гидросфера», «литосфера» и «биосфера».

Гидросфера – водная оболочка Земли, представляющая совокуп­ность всех водных объектов планеты: океанов, морен, рек, озер, болот, ледников, снежного покрова, подземных вод. В состав гидросферы так­же входит вода в атмосфере, почвенная влага и вода живых организмов. Вода обладает чрезвычайно высокой растворяющей способностью. При­родные растворы разнообразнейшего содержания и различной концентрации встречаются всюду в экосфере и играют решающую роль в гло­бальных геологических и биогеохимических круговоротах веществ. В гидросфере представлены основные фазовые состояния воды – жид­кое, твердое и газообразное. Физические свойства воды весьма специфичны: большие величи­ны скрытой удельной теплоты фазовых переходов (испарения, конденсации, таяния, сублимации), значительная теплоемкость, малая моле­кулярная теплопроводность, нетривиальная зависимость плотности от температуры и др. Эти специфические свойства оказывают серьезное влияние на те многие природные процессы, в которых участвует вода.

Важнейшим процессом в экосфере является глобальный круговорот воды, или, по другой терминологии, гидрологический цикл. Он служит ос­новой единства географической оболочки, играя важнейшую роль в планетарном обмене веществом и энергией.

Пространственно гидросфера фактически совпадает с экосферой. Гидросфера проникает во все другие геосферы и играет важнейшую роль в глобальных процессах обмена веществом и энергией. Водяной пар в атмосфере – необходимый участник важнейшего геоэкологического процесса создания первичной биологической продукции в результате фотосин­теза. Почвенная влага – практически обязательный компонент про­цесса создания растительной биомассы Земли. Кроме того, как водяной пар, так и почвенная влага играют важнейшую роль в глобальном гидрологическом цикле.

Вода гидросферы играет важнейшую роль в глобальном абиотическом круговороте, осуществляя эрозию и денудацию горных пород, перенос и отложение продуктов их разрушения.

Мировой океан (включает 94% массы гидросферы) – важнейший регулятор потоков в глобальном гидрологическом цикле, его объем велик по сравнению с любой составляющей цикла, средняя продолжительность обмена воды в океане весьма значительна, состав­ляя 3 тыс. лет.

Поверхностная зона океана (глубиной 0-200 м) обладает весьма значительной теплоемкостью и наибольшей среди геосфер тепловой инерцией, играет важнейшую роль в формировании текущего кли­мата планеты, его пространственного распределения и изменчивости во времени.

Мировой океан - это также и огромный аккумулятор веществ, содержа­щий их в растворенном виде. Соленость воды изменяется в пространстве, но ее химический состав (в % от целого) остается постоянным. Это обстоятельство играет значительную роль в стабили­зации биогеохимических циклов и экосферы в целом.

Экологические функции Мирового океана и континентальных водоемов:

1. Взаимодействие с атмосферой и верхней частью литосферы.

2. Место зарождения жизни и среда обитания многих живых организмов.

3. Регулятор климата и погоды на планете, резервуар тепловой энергии.

4. Газообмен с атмосферой и регулирование газового баланса на планете, в том числе соотношение жизненно важных О₂ и СО₂.

5. Поверхностная и глубинная гидродинамика в виде течений, приливов и отливов, перемешивания водных масс.

6. Жизненно важная макроэкосистема с высокой биологической продуктивностью.

7. Транспорт и трансграничный перенос загрязняющих веществ.

8. Аккумуляция веществ из атмосферы и континентальных водоемов.

9. Регулятор поверхностного стока.

10. Участие в планетарном процессе круговорота воды, газов и минеральных веществ.

11. Среда биологического самоочищения.

Литосфера – геосфера, объединяющая земную кору и верхнюю часть мантии до астеносферы.

Верхние горизонты литосферы обычно не контактируют непосред­ственно с атмосферой и гидросферой. На суше литосфера покрыта чех­лом почв (педосфера), растительности (биосфера) или же, особенно в хо­лодных условиях, – льда и снега (криосфера). Лишь в пустынях лито­сфера непосредственно соприкасается с атмосферой, да и то сквозь кору выветривания. В то же время через почву и кору выветривания проис­ходит активный газообмен между атмосферой и литосферой. Еще более активно протекает взаимодействие между литосферой и природными водами, поскольку подземные воды – являются частью как гидросфе­ры, так и литосферы.

Взаимодействие литосферы с атмосферой, гидросферой и биосфе­рой происходит в рамках глобального круговорота (цикла) вещества.

Большой цикл вещества (иногда называемый большим геологичес­ким круговоротом) – один из важнейших процессов Земли как систе­мы, вовлекающих в нее глубинные сферы нашей планеты. Однако лишь часть геологического цикла, преимущественно экзогенные процессы, относится к области интересов геоэкологии. Они развиваются преиму­щественно у земной поверхности и ограничены десятками или первы­ми сотнями метров в глубину, т.е. теми слоями, до которых распространяется деятель­ность человека.

Экологические функции мантии и земной коры выражаются в тех изменениях, которые они вносили в геологическом прошлом и продолжают вносить в настоящее время в жизнедеятельность планеты. Это выражается:

- В выделении так называемых газовых эманаций – газов из глубинных слоев в поверхностные слои и в атмосферу.

- В колебаниях земных слоев и выделении специфических веществ на поверхность в результате землетрясений и вулканической деятельности.

- В виде источников конвективных потоков вещества, благодаря которым осуществляются перемещения литосферных плит и их отдельных блоков.

- Выделение энергии из глубинных слоев, участвующей в формировании теплового баланса земли. Основным источником тепла следует считать мантию.

- Участие в большом геологическом круговороте вещества и энергии.

- Образование геопатогенных зон, возникающих на разломах земной коры.

Экологические функции приповерхностной части литосферы определяются их ролью в жизнедеятельности и эволюции органического мира и в развитии человеческого общества. Сюда относятся:

1. Базовая геологическая функция – вся континентальная и почти вся морская биоты опираются на земную кору и взаимодействуют с ней.

2. Эколого-географическая функция – обеспечивает расселение и условия существования различных групп живых организмов, в т.ч. человека.

3. Геодинамическая функция – проявление и динамика природных и антропогенных процессов, влияющих на условия обитания живых организмов; определяет уровень экологического риска и биологической комфортности.

4. Ресурсно-сырьевая функция – обеспечение жизнедеятельности человеческого общества необходимыми источниками сырья и энергии, подавляющей частью минерально-сырьевых ресурсов.

5. Геохимическая и геофизические функции, определяющие воздействие на здоровье человека разнообразных природных и техногенных геохимических аномалий и геофизических полей.

6. Очистительная функция – осаждение и нейтрализация веществ, поступающих из атмосферы и гидросферы

7. Хранение значительных объемов отходов производства и потребления.

Самые верхние горизонты литосферы находятся в совместном и вза­имосвязанном взаимодействии с другими геосферами. В результате та­кого взаимодействия на поверхности литосферы образуется кора вы­ветривания – совместный продукт действия воды, воздуха и живых су­ществ. На корах выветривания развиваются почвы. Таким образом, в верхней части земной коры выделяют особую часть экосферы, называемую сферой почв, или педосферой. По определению В. А. Ковды, педосфера – это общемировая биоэнергети­ческая и биогеохимическая система, способная к саморазвитию и само­регуляции, обеспечивающая существование и воспроизводство живых организмов.

Строго говоря, почвы не образуют сплошную геосферу, поскольку встречаются только на суше. На суше их роль велика, потому что мно­гие естественные глобальные механизмы, регулирующие состояние эко­сферы, прямо или косвенно действуют в почвенном по­крове.

Почва – это многокомпонентное, но целостное природное образование. Она образуется на земной поверхности там, где проникают друг в друга и взаимодействуют четыре геосферы (литосфера, гидросфера, атмо­сфера и биосфера).

Почва - это сложно функционирующая динамическая система, в ко­торой все три фазы состояния вещества: твердая, жидкая и газообраз­ная, а также и живое вещество – взаимодействуют друг с другом в результате множества процессов различной природы, скорости и интен­сивности.

Таким образом, почва может рассматриваться как природное биокосное тело, как динамическая система и как часть ландшафта.

Основными функциями почвенного покрова явля­ются:

- биоэкологическая (почва - это место размещения и функциони­рования живого вещества);

- биоэнергетическая (это место преобразования солнечной энер­гии, аккумулированной в гумусе и других органических веще­ствах, в биомассу);

- функция фиксации азота и образования белков;

- функция активного агента в глобальных биогеохимических цик­лах основных химических элементов;

- функция преобразования подстилающих кристаллических по­род в измельченные фракции (выветривание);

- гидрологическая функция (это область активного водообмена между геосферами);

- метеорологическая функция (это область, вносящая заметный вклад в формирование состава и режима атмосферы).

Перечисленные функции определяют очень многие взаимосвязи в механизме функционирования экосферы как глобальной системы.

Итак, почва – это полифункциональная природная система. Из многочисленных функций следует выделить ряд наиболее важных:

1) Определяющую роль почвы в производстве первичной биологической продукции как основы возобновимых природных ресурсов и глав­ного источника питания человечества.

2) Роль почвы как тонкой поверх­ностной оболочки экосферы, через которую осуществляется обмен ве­ществом и энергией во многих звеньях глобальных биогеохимических циклов и регулируется химический состав вод и воздуха.

Биосфера. Это одна из сфер Земли, состав, структура и энергетика которой обусловлены преимущественно деятельностью живых организмов. В научной литературе встречаются несколько понятий, обозначае­мых словом «биосфера». В особенности распространены два понятия. Согласно одному, более широкому, биосфера - это область существова­ния живого вещества вместе со средой его обитания. В более узком смыс­ле биосфера – одна из геосфер Земли, область распространения живого вещества.

Биосфера сконцентрирована в основном в виде относительно тон­кой пленки на поверхности суши и преимущественно (но не исключи­тельно) в верхних слоях океана. Она охватывает приземную часть атмосферы (до высоты озонового слоя), гидросферу и верхнюю часть литосферы, которые взаимосвязаны сложными биохимическими циклами миграции вещества и энергии. Наличие биосферы отличает Землю от других планет Солнечной системы. Особо следует подчеркнуть, что именно биота, т.е. совокуп­ность живых организмов мира, создала экосферу в том виде, как она есть (или, точнее, какой она была до начала активной деятельности челове­ка), и именно биота играет важнейшую роль в стабилизации экосферы. Кислородная атмосфера, глобальный круговорот воды, ключевая роль углерода и его соединений связаны с деятельностью биоты и характер­ны только для Земли. Биота играет значительную, если не определяющую роль во всех глобальных биогеохимических циклах. В основном благодаря биоте обеспечивается гомеостазис экосферы, т.е. способность системы поддерживать ее основные параметры, несмотря на внешние воздействия, как естественные, так и в возрастающей степени антропо­генные. Возникновение и существование биосферы является принципиально важным историческим этапом эволюции Земли как планеты. Основное назначение биосферы – использование солнечной энергии фотосинтезирующими организмами и биологический круговорот вещества, энергии и информации, который обеспечивает динамику всех жизненных процессов.

ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЙ МАТЕРИАЛ

Каргополов Геоэкология