Основы общей экологии и защита биосферы

Основы общей экологии и защита биосферы

Учебное пособие

 

Новосибирск – 2008

 

УДК 504 (075.8)

Л.А. Черновский, О.М. Бонина, Е.А. Удальцов. Экология. Основы общей экологии и защита биосферы.: Учебное /СибГУТИ.- Новосибирск, 2008 г.- с.180

 

В учебном пособии даны важнейшие понятия принципы концепции современной экологии. Описаны источники причины и последствия загрязнения окружающей среды. Указаны пути предупреждения загрязнения окружающей среды. Рассмотрены вопросы разработки мероприятий по охране природной среды.

Учебное пособие разработано с учетом государственного образовательного стандарта по экологическому образованию студентов СибГУТИ различных специальностей.

 

Кафедра безопасности жизнедеятельности и экологии

Ил. 33., табл. – 2

 

Рецензент: В.И. Марченко, д-р. биол. наук, профессор

 

 

Для специальностей «Радиотехника», «Телекоммуникации», «Информационная безопасность», «Информатика и вычислительная техника», «Менеджмент», «Экономика и управление»

 

 

Утверждено редакционно-издательским советом СибГУТИ в качестве учебного пособия

 

 

©Сибирский государственный университет

телекоммуникаций и информатики, 2008г.

Содержание

Введение
Экология как наука
Возникновение глобальных проблем окружающей среды
Уровни биологической организации и трофические связи живого
Взаимоотношения организма и среды
Биосфера: свойства, структура
Круговорот веществ в природе
Функционирование биосферы
Демографические проблемы Земли
Природные ресурсы
Влияние деятельности человека на атмосферу
Влияние деятельности человека на гидросферу
Экология и здоровье человека
Экологические принципы рационального использования природных ресурсов и охраны природы
Основы экономики природопользования
Основы экологического права и профессиональной ответственности
Экологический мониторинг
Экологические стандарты и нормативы
Экозащитная техника и технологии
Международное сотрудничество в области охраны ОПС
Выживание человечества? (вместо заключения)
Приложение
Методологические пояснения
Рекомендуемая литература

 

ВВЕДЕНИЕ

 

В начале ХХ века академик В.И. Вернадский отмечал “человек настоящего времени представляет из себя геологическую силу, и сила эта сильна именно тем, что она возрастает, и предела её возрастания нам не видно...”. В конце второго тысячелетия от рождества Христова над обществом нависла угроза глобального экологического кризиса. Вне зависимости от политического устройства и экономической ситуации в странах решение экологических проблем сегодня одинаково важно для всех людей планеты. Предотвратить глобальную катастрофу возможно только воспитав экологически грамотного человека. А это означает, что на всех уровнях образования обязательным предметом изучения становится дисциплина «Экология».

В 1994 г. Министерством образования России были утверждены два направления высшего экологического образования:

- фундаментальное экологическое образование;

- инженерное экологическое образование.

И с этого же года в учебные планы всех технических дисциплин было введено обязательное изучение экологии.

Экологическое образование в России традиционно велось на пересечении естественных и социально-экономических наук.

В 1997 г. на уровне Правительства РФ была разработана и утверждена Концепция экологического образования, включающая в себя следующие базовые принципы:

1. Гуманизация выражает идею формирования человека способного к экологически целесообразной деятельности с установкой на сохранение жизни на Земле, спасению человечества от экологических катастроф.

2. Научность предусматривает высокий уровень информированности по вопросам экологии.

3. Взаимосвязанность раскрытия глобальных, региональных и локальных аспектов экологии с тем чтобы учащиеся «мыслили глобально, а действовали локально».

4. Интеграция естественнонаучных, нравственно-эстетических и других взаимодействий выражается в тесной связи теоретического и практического обучения и воспитания.

5. Непрерывность предусматривает поэтапную и постепенную организацию экологического образования и воспитания во время всего обучения (в т.ч. и после окончания вуза).

6. Систематичность предусматривает системную организацию экологического образования на основе таких компонентов, как цели, содержание приёмы и средства обучения.

Преподавание и изучение дисциплины "Экология" студентами вузов, обучающимися по техническим направлениям и специальностям, - методически сложная задача, поскольку курс должен базироваться, в основном, на знаниях, полученных при обучении в средней школе. Нередко в этом курсе вместо фундаментальных знаний о природе студентам дают только информацию об основах инженерной защиты окружающей природной среды. В период экологического кризиса, особенно важно заполнить пробел в общем фундаментальном естественно-научном образовании студентов, представленном в вузах и на факультетах технического профиля преимущественно физико-математическими дисциплинами.

Авторы ставили целью способствовать формированию у студента представления о человеке как о части природы, о самоценности всего живого и невозможности выживания человечества без сохранения биосферы. После изучения курса студент должен не только иметь представление о взаимоотношениях организмов со средой обитания, структуре биосферы, её эволюции, глобальных проблемах окружающей природной среды, но и уметь прогнозировать результаты своей профессиональной деятельности с учётом прямых и многочисленных косвенных последствий для биосферы.

Экология представляет собой междисциплинарную область знаний, тесно связанную с другими естественными науками, и читатель сталкивается с большим количеством новых понятий, терминов и их синонимов, относящихся к самым разнообразным областям современных научных знаний. Поэтому для того чтобы читатель мог правильно в них ориентироваться в данное учебное пособие включены некоторые сведения из дисциплин “География”, “Геология”, “Геохимия”, “Почвоведение”, ”Биология” и некоторых других.

В целом содержание учебного пособия ориентировано на примерную программу дисциплины “Экология”, утвержденную Государственным комитетом РФ по высшему образованию для технических направлений подготовки. Настоящее учебное пособие является результатом более чем десятилетнего опыта чтения авторами курса “Экология” в технических вузах.

Авторы будут благодарны всем, кто сочтёт целесообразным высказать замечания и пожелания по содержанию учебного пособия.

Экология как наука

 

Впервые термин ЭКОЛОГИЯ был применен в 1866 г. Э. Геккелем для обозначения науки, исследующей взаимозависимости между живыми организмами и их окружением, т.е. окружающей средой.

Термин Э. Геккеля достаточно быстро стали использовать в биологической литературе, а экологию как одну из ветвей биологической науки преподавать в университетах в качестве отдельного предмета. Однако за пределы узкого круга биологов она не выходила около 100 лет.

В середине XX в. экологию постепенно стали понимать как науку об экосистемах и биосфере. Начало такому пониманию положили работы В.И. Вернадского, В.В. Докучаева, Ю.П. Одума, А.Дж. Тенсли, Н.В. Тимофеева-Ресовского и других известных ученых. В результате стало ясно, что современная биосфера, среда обитания всех живых организмов, является продуктом их жизнедеятельности: неустанного воспроизведения, метаболизма (обмена веществ) и посмертного разложения множества живых существ.

Современная экология - это фундаментальная наука о природе, являющаяся комплексной и объединяющая знания нескольких классических естественных наук: биологии, геологии, географии, климатологии, ландшафтоведения и др. Согласно основным положениям этой науки человек является частью биосферы как представитель одного из биологических видов и так же, как и другие организмы не может существовать без биоты, т.е. без всей совокупности живущих ныне на Земле биологических видов, которые и составляют среду обитания человечества.

Все усиливающегося воздействия человека на окружающую среду привело к тому, что в последнее время в экологии стало все больше внимания уделяться именно этой проблеме, и самим термином "экология" всё чаще обозначают всю совокупность взаимоотношений природы и общества (кстати, данное определение нашло отражение в требованиях ГОС по дисциплине «Экология», которая в обязательном порядке преподается во всех вузах страны с 1995 года).

Возрастание роли проблем взаимодействия человека и природы в экологии вовсе не означает, что ранее существовавшие направления в этой отрасли научных знаний больше не разрабатываются, это привело лишь к тому, что структура экологии стало более сложной, появились новые направления исследований.

Рассматривая структуру современной экологической науки можно выделить три основные ветви:

Первая ветвь. Общая экология, которую часто называют биоэкологией (впервые этот термин применили Ф.Клеменс и В.Шелфорд, 1939 г.), - это изучение взаимоотношений живых систем разных рангов (организмов, популяций, экосистем) со средой и между собой. Эту часть экологии в свою очередь подразделяют на следующие разделы:

-оаутэкология - изучает закономерности взаимоотношений организмов отдельного вида со средой обитания;

- одемэкология - изучает закономерности взаимоотношений отдельной популяции со средой обитания;

- синэкология - изучает закономерности взаимоотношений популяций;

- экосистемная и биосферная экология.

Вторая ветвь. Геоэкология или факториальная экология - это изучение геосфер, их динамики и взаимодействия, геофизических условий жизни, факторов (т. е. ресурсов и условий) неживой окружающей среды, действующей на организмы.

Третья ветвь. Прикладная экология - это аспекты инженерной, социальной, экономической охраны среды обитания человека, проблем взаимоотношений природы и общества, экологических принципов охраны природы.

Приблизительно так и будет выглядеть структура нашего методического пособия, в котором мы рассмотрим все три ветви экологии.

Как всякая наука экология имеет собственный понятийный материал. Эти понятия и их определения мы с вами будем рассматривать по ходу дела. Сейчас же остановимся на некоторых из них.

Геосфера — оболочка Земли.

Литосфера — твердая оболочка Земли.

Гидросфера — водная оболочка Земли.

Атмосфера — газовая оболочка Земли.

Педосфера — почвенный слой Земли.

Биосфера — область распространения на планете живых организмов.

Окружающая среда (ОС) - совокупность природной среды и антропогенных объектов.

Природная среда (ПС) - совокупность компонентов природной среды, природных и природно-антропогенных объектов.

Компоненты природной среды - земля, недра, почвы, поверхностные и подземные воды, атмосферный воздух, растительный, животный мир и иные организмы, а также озоновый слой атмосферы и околоземное космическое пространство, обеспечивающие в совокупности благоприятные условия для существования жизни на Земле.

Природный объект - естественная экологическая система, природный ландшафт и составляющие их элементы, сохранившие свои природные свойства.

Природно-антропогенный объект - природный объект, измененный в результате хозяйственной и иной деятельности, и (или) объект, созданный человеком, обладающий свойствами природного объекта и имеющий рекреационное и защитное значение.

Антропогенный объект - объект, созданный человеком для обеспечения его социальных потребностей и не обладающий свойствами природных объектов.

Естественная экологическая система - объективно существующая часть природной среды, которая имеет пространственно-территориальные границы и в которой живые (растения, животные и другие организмы) и неживые ее элементы взаимодействуют как единое функциональное целое и связаны между собой обменом веществом и энергией.

Природный ландшафт - территория, которая не подверглась изменению в результате хозяйственной и иной деятельности и характеризуется сочетанием определенных типов рельефа местности, почв, растительности, сформированных в единых климатических условиях.

Приведенные определения даны в формулировке, принятой в Федеральном законе «Об охране окружающей среды» от 10 января 2002 г. N 7-ФЗ.

 

Круговорот кислорода

В добиологический период существования Земли атмосфера состояла в основном из водяного пара, углекислого газа, азота и некоторых других газов. Кислород в более или менее значительных количествах начал накапливаться в атмосфере после распространения фотосинтезирующих организмов - около 2 млрд. лет тому назад.

По мере возрастания количества кислорода в атмосфере он частично трансформируется под действием ультрафиолетового излучения в озон. Все возрастающий слой озона усиливал свои защитные функции. Соответственно росло количество хлорофилловых организмов, главным образом фитопланктона, которые освобождали новые порции кислорода.

В последние 20 миллионов лет содержание кислорода в атмосфере стабилизировалось. Современная атмосфера содержит около 1/20 части кислорода, имеющегося в биосфере. По содержанию в атмосфере он является вторым после азота газом. Однако именно потому, что кислород содержится в земной коре повсеместно, экологи уделяют его круговороту меньше внимания, чем круговоротам углерода, азота, фосфора и др. В атмосфере кислород содержится в виде О₂, СО₂, О₃, в воде - в растворенном виде как газ и в соединении с водородом - Н₂О, в литосфере - в форме различных оксидов (Fe₂О₃, Na₂0, Mg О, SiО₂, К₂О и т.д.) и солей (СаСО₃ и др.). Самый большой фонд кислорода находиться у поверхности Земли в виде углекислого кальция осадочных пород, но за исключением небольшого количества, освобождаемого в результате вулканической деятельности, он недоступен в этом виде живым организмам.

В биохимическом круговороте участвует в основном атмосферный кислород. Образование свободного кислорода происходит главным образом в результате фотосинтеза растений, а потребление - в ходе дыхания, реакции окисления (в том числе сжигания топлива) и других химических преобразований.

Общее количество свободного кислорода оценивается в 1,18*10¹⁵т. Это количество накопилось за все время существования земной растительности. Сейчас свободный кислород образуется соскоростью примерно 1,55*10⁹ т/год, а расходуется со скоростью около 2,16¹⁰ т/год. Таким образом, расход кислорода больше его поступления в атмосферу. Пока усиление техногенного потребления кислорода, а также вырубка лесов не привели к заметному снижению содержания свободного кислорода в атмосфере, но наметившаяся тенденция этого процесса в перспективе опасна. Зеленые растения освобождают в год около 1/2500 содержания кислорода в атмосфере, поэтому время его круговорота в атмосфере составляет примерно 2500 лет.

Круговорот углерода

Биологический круговорот углерода проще круговорота кислорода, так как в нем участвуют только органические соединения и диоксид углерода. Фонды углерода в атмосфере обширны. Основная его масса аккумулирована в карбонатных отложениях дна океана (1,3*10¹⁶ т), в кристаллических породах (1*10¹⁶ т), каменном угле и нефти (0,34*10¹⁶ т) В атмосфере углекислого газа относительно немного (1,3*10¹² т), менее 1/10000 общего запаса углерода.

Аккумулированный углерод принимает участие в медленном геологическом круговороте Земли. Влияние этого круговорота на краткосрочное функционирование экосистемы незначительно. Поэтому жизнь на Земле и газовый баланс атмосферы поддерживаются относительно небольшим количеством углерода, участвующего в малом круговороте. Фотосинтез и дыхание полностью комплементарны, (от лат. «complementum», дополнение). Весь ассимилированный в процессе фотосинтеза углерод включается в углеводы, а в процессе дыхания весь углерод, содержащийся в органических соединениях, превращается в диоксид углерода.

Биологический круговорот углерода протекает по схеме: биоассимиляция углерода из атмосферы, водной или наземной среды растениями - потребление органических соединений животными - окисление органических веществ до углекислого газа в процессе дыхания и разложения отходов - возврат углекислого газа в атмосферу. Если принять за 100% углерод, ассимилированный растениями в ходе фотосинтеза, то примерно 30% возвращается в фонд атмосферного углекислого газа в результате дыхания растений, а остальные 70% обеспечивают дыхание и продукцию животных, бактерий и грибов в растительноядных и детритных пищевых цепях.

В наземных экосистемах в круговорот вовлекается ежегодно 12% содержащегося в атмосфере углекислого газа. Поэтому углерод сравнительно быстро циркулирует между атмосферой, гидросферой и живыми организмами. Время переноса атмосферного углерода равно примерно восьми годам. В связи с этим система круговорота атмосферного углерода значительно более чувствительна к внешним воздействиям, чем таковая кислорода. С середины. XIX в. ускорился процесс перехода углекислого газа в атмосферу за счет сжигания топлива. Его содержания в атмосфере увеличилось на 22% и продолжает расти. Такое положение вызывает серьезную озабоченность, так как нарушается сложившееся в природе энергетическое равновесие.

Круговорот азота

 

Азот - один из главных биогенных элементов. Основным резервуаром газообразного азота служит атмосфера (78% объема воздуха).

Однако в отличие от углекислого газа круговорот азота связан с рядом особенностей. Во-первых, усваивать азот из воздуха могут только отдельные виды так называемых азотфиксирующих организмов - некоторые сине-зеленые водоросли и симбиотические бактерии бобовых растений. Во-вторых, являясь химически весьма инертным, азот не принимает непосредственного участия, как углерод, в высвобождении энергии при дыхании, он только входит в состав белков и нуклеиновых кислот. В-третьих, разложение азотсодержащих веществ с выделением газообразного азота осуществляется, как правило, в несколько стадий с помощью целого ряда специализированных микроорганизмов. В связи с этим большая часть биохимических превращений происходит в почве, где доступность азота растениям облегчается растворимостью его неорганических соединений.

Содержание азота в тканях живых организмов около 3%. В окружающую среду органический азот попадает в виде аминогруппы NH₂ или мочевины CO(NH₂)₂. Процессы аммонификации и нитрификации происходят при участии специализированных бактерий. При недостатке кислорода в почве бактерии могут использовать кислород нитратов и нитритов. В процессе денитрификации азот переводиться в газообразное состояние и частично фиксируется клубеньковыми растениями, а остальная часть удаляется из активных фондов почвы и попадает в виде свободного азота в атмосферу.

В естественных условиях процессы связывания и освобождения азота уравновешивают друг друга. Искусственное внесение азота с удобрениями достигло 30 млн. т. в год и сравнялось с естественным потоком азота в биосфере, что привело к избытку азота в некоторых почвах и водоемах. Однако глобального нарушения круговорота азота пока не произошло.

Круговорот фосфора

К круговоротам основных химических элементов, имеющих газовую фазу, примыкают так называемые осадочные круговороты. Минеральный фосфор - редкий элемент в биосфере, его содержание в земной коре не превышает 1%.

Основным источником фосфора служат изверженные и осадочные породы.

Неорганический фосфор из пород земной коры вовлекается в циркуляцию при их вы­щелачивании и растворении в континентальных водах. На суше неорганический фосфор поглощается растениями и переводится в состав живого вещества растений и потребляющих растения животных. Затем органические фосфаты вместе с трупами, отходами и экскрементами животных возвращаются в землю, подвергаются переработке микроорганизмами и снова включаются в круговорот.

Фосфор доступен растениям только в узком диапазоне кислотности - в слабокислой среде, при другой кислотности он переходит в нерастворимые соединения, и становиться не­доступным для них.

С текучими водами фосфор поступает в водоемы в виде фосфатов. Если на суше его круговорот происходит в сравнительно благоприятных условиях, то в водоемах дело обстоит сложнее. Отмершие организмы накапливаются в донных отложениях. Разложение органики вблизи дна замедлено вследствие недостаточного притока кислорода. Минерализованный фосфор образует нерастворимые соединения с трехвалентным железом, кальцием и прочно удерживается в осадке. Происходит обеднение фосфором верхних слоев воды. Это обстоятельство ограничивает развитие водной растительности.

Во многих водоемах возврат фосфора из донных отложений происходит в основном только при сезонном перемещении вод. В мелких водоемах важную роль в поддержании круговорота фосфора играет его анаэробный возврат - в этом случае в водоеме создаются восстановительные условия. При этом железо переходит в растворимую двухвалентную форму с одновременным высвобождением растворимых фосфатов. Фосфаты возвращаются в верхние слои воды с пузырьками метана, сероводорода и при перемешивании вод. Анаэробный возврат фосфора в жаркое время нередко бывает причиной массового «цветения» водоемов.

Ежегодный вынос фосфора в водные объекты оценивается в 1,4*10⁷ т. Скорость его обратного переноса на сушу птицами и продуктами рыбного промысла значительно меньше - около 10⁵ т/год. Искусственное внесение удобрений в наземные агроценозы оценивается в 7*10⁷ т/год, причем заметная доля их смывается с полей в водоемы.

Таким образом, механизмыестественного возврата фосфора на сушу не способны сегодня компенсировать потери этого элемента. Поскольку на Земле запасы фосфора малы и круговорот его недостаточно совершенен, любые воздействия человека на его биогеохимиче­ский круговорот могут привести к серьезным последствиям.

Круговороты других биогенных элементов изучены в меньшей степени, чем круговорот фосфора, но все они происходят по похожей схеме с рядом своих особенностей. При этом следует отметить, что перемещение минеральных солей - это очень важный фактор. Человек, расширяя сельскохозяйственную деятельность, забирает вместе с продукцией и входящие в ее состав минеральные элементы. Поэтому необходимо знать, сколько минеральных солей извлекается из почвы, чтобы вернуть ей идентичное количество. Ранее этот процесс обеспечивался естественным круговоротом минеральных солей, но теперь в зонах деятельности человека этот процесс необходимо регулировать.

Круговорот воды

Роль воды в происходящих в биосфере процессах огромна. Без воды невозможен обмен веществ в живых организмах. С появлением жизни на Земле круговорот воды стал относительно сложным, так как к простому явлению физиологического испарения добавился более сложный процесс биологического испарения (транспирация), связанный с жизнедеятельно­стью растений и животных.

Кратко круговорот воды в природе можно описать следующим образом. Вода поступает на поверхность Земли в виде осадков, которые образуются главным образом из водяного пара, попадающего в атмосферу в результате физического испарения и испарения воды растениями. Одна часть этой воды испаряется прямо с поверхности водных объектов или косвенно, при посредстве растений и животных, а другая питает подземные воды.

Характер испарения зависит от многих факторов. Так, с единицы площади в лесной местности испаряется значительно больше воды, чем с поверхности водного объекта. С уменьшением растительного покрова уменьшается и транспирация, а, следовательно, и количество осадков.

Поток воды в гидрологическом цикле определяется испарением, а не осадками. Способность атмосферы удерживать водяной пар ограниченна. Увеличение скорости испарения ведет к соответствующему увеличению осадков. Вода, содержащаяся в воздухе в виде пара в любой момент, соответствует в среднем слою толщиной 2,5 см., равномерно распределенному по поверхности Земли. Количество осадков, выпадающих в год, составляет в среднем 65 см. Следовательно, водяные пары атмосферного фронта ежегодно совершают круговорот примерно 25 раз (раз в две недели).

Содержание воды в водных объектах и почве в сотни раз больше, чем в атмосфере, однако она протекает через два первых фонда с одинаковой скоростью. Среднее время переноса воды в ее жидкой фазе по поверхности Земли около 3650 лет, в 10000 раз больше, чем время ее переноса в атмосфере. Человек в процессе хозяйственной деятельности оказывает сильное воздействие на основу гидрологического цикла - испарение воды.

Загрязнение водных объектов и в первую очередь морей и океанов нефтепродуктами резко ухудшает процесс физического испарения, а уменьшение площади лесов - транспирацию. Это не может не сказаться на характере круговорота воды в природе.

Глобальные круговороты жизненно важных биогенных элементов распадаются в биосфере на множество мелких круговоротов, приуроченных к локальным местам обитания различных биологических сообществ. Они могут быть более или менее сложными и в разной степени чувствительными различного рода внешним воздействия. Но природа распорядилась так, что в естественных условиях эти биохимические круговороты являются «образцовыми безотходными технологиями». Цикличность охватывает 98-99% биогенных элементов и лишь 1-2% уходит даже не в отходы, а в геологический запас.

В отличие от простого переноса — перемещения минеральных элементов в большом круговороте, — в малом круговороте самыми важными моментами являются синтез и разрушение органических соединений. Эти два лежащих в основе жизни процесса находятся в определенном соотношении, что и составляет одну из главных ее особенностей.

Уникальные свойства живого вещества и его биогеохимические функции, проявляющиеся в способности трансформировать газы и концентрировать химические элементы, объясняют его способность совершать грандиозную по масштабам и последствиям геохимическую работу на планете.

Как было отмечено выше, основой функционирования природной системы (ПС) являются энергетические и вещественные связи. Вещество в ПС движется по замкнутому кругу, формируя биогеохимический круговорот.

На пути от автотрофов к гетеротрофам питательные элементы могут попадать в так называемые резервные фонды, своеобразные отстойники. Вещества здесь малоподвижны и проходят лишь минеральные превращения, не связанные с живой материей. Такими резервными фондами являются, например, залежи угля, отложения карбонатных пород на дне моря. Резервными фондами можно считать также запасы древесины в лесных экосистемах, залежи торфа, лесную подстилку, перегной, запасы углерода в форме углекислоты в атмосфере, гидросфере, почве, растворённые в водах химические элементы, сами воды.

По скорости движения вещества и стабильности резервные фонды неоднородны. В границах резервного фонда можно выделить легкодоступную живым организмам массу вещества. Такое вещество, как правило, сосредоточено в высокоподвижных геосферах, в которых потоки вещества движутся значительно энергичнее, чем в остальной части резервных фондов. Это вещество имеет значительно больше шансов быть вовлеченным в биологические трофические цепи. Такую массу вещества называют обменным фондом.

Резервные фонды атмосферы, гидросферы и биосферы обычно легко доступны, вещество из них легко извлекается и так же легко в них возвращается, поэтому происходящие здесь процессы отличаются относительной стабильностью. Значительно труднее извлекается вещество из фонда осадочного цикла (из литосферы). Поэтому идущие с участием этого фонда процессы менее активны, неустойчивы. Здесь поступление в резерв идёт более быстрыми темпами, чем извлечение из него. Процесс извлечения и возврата вещества в резервные фонды является частью биогеохимических циклов.

В процессе эволюции биогеохимические циклы приобрели почти замкнутый, круговой характер. Благодаря этому поддерживается известное постоянство, динамическое равновесие состава, количества и концентрации вовлечённых в круговорот веществ. В то же время, за счёт неполной замкнутости биологического круговорота в атмосфере накапливается азот, кислород, в земной коре – соединения углерода (нефть, уголь, газ), в океане – различные соли.

Благодаря высокой подвижности атмосферы и наличию в ней большого обменного фонда, некоторые круговороты (кислорода, углерода, азота) обладают способностью быстрой саморегуляции. Например, образовавшиеся локальные сгущения углекислого газа быстро рассеиваются и более быстро поглощаются растительностью.

Круговороты, идущие в режиме осадочных циклов (обороты серы, фосфора, железа), менее активны и мало регулируемы. Основная масса этих веществ сосредотачивается в малоподвижной литосфере.

Как для геологического, так и биологического круговоротов характерна необратимость. В них обязательно привносятся новые элементы, новые условия, иные ритмы и звенья циклов. Постоянно накапливаясь, эти различия с каждым новым циклом приводят к заметным изменениям даже в биологических системах. Часть элементов периодически выпадает из круговорота, задерживается на то или иное время в тупиках, что приводит к развитию биосферы.

 

Контрольные вопросы по теме:

1. Что такое большой и малый круговорот веществ, чем они отличаются?

2. Опишите круговорот кислорода и углерода.

3. В чем особенность круговорота фосфора, его отличие от круговорота других биогенных веществ?

4. Опишите круговорот азота, какова роль азота как биогенного вещества биосферы?

5. Круговорот воды, роль транспирации в круговороте воды.

 

Функционирование биосферы

 

В самом начале этой книги было сказано, что все уровни организации жизни образуют соответствующие системы, которые различаются по принципам организации и масштабам явлений. Эти системы образуют своеобразную иерархическую лестницу, в которой меньшие подсистемы составляют большие системы, сами являющиеся подсистемами более крупных систем. Вот одной из таких крупных систем и является биосфера.

Функционирование биосферы – это циклическое движение вещества при постоянном притоке внешней энергии. В процессе этого движения устанавливается динамическое равновесие между различными компонентами биосферы. Любое воздействие на любой из этих компонентов или циклов может быть причиной выхода системы из этого равновесия. Понятно, что наиболее быстро на такое воздействие будут реагировать те подсистемы биосферы, которые обладают наибольшей скоростью циклических обменов, т.е. системы низшего ранга (например, экосистема, атмосфера, гидросфера). Возникшее в них возмущение будет передаваться с затуханием системам более высокого ранга, и в конечном итоге биосфере в целом.

Реакция биосферы и отдельных её компонентов (например, экосистем) на воздействие извне зависит во многом от характера воздействия: интенсивности, амплитуды, скорости нарастания нагрузки. Понятно, что более энергичное воздействие вызовет и более активный её отклик, а превышение интенсивности этим воздействием некоего порога (предела толерантности) приведёт к угнетению системы. Отсюда вытекает вывод о том, что обязательным условием сохранения устойчивости биосферы является необходимость достаточно медленных изменений параметров среды. Время изменения внешних условий должно быть существенно больше времени релаксации системы, т.е. времени, которое необходимо для восстановления равновесия системы после тех или иных внешних возмущений.

Функционирование биосферы осуществляется за счет энергии Солнца. Тепловой поток из глубин Земли эквивалентен всего лишь 0,02-0,03% потока солнечной энергии и поэтому при грубом расчете теплового баланса Земли им можно пренебречь.

От Солнца на единицу поверхности внешней границы тропосферы в среднем поступает примерно 250 ккал/(см^2. год). Треть этого потока отражается, и, следовательно, Земля поглощает 167 ккал/(см^2. год). Из них 59 ккал/(см^2. год) поглощает атмосфера, и на долю поглощения земной поверхности приходится 108 ккал/(см^2. год). Эта энергия преобразуется различными способами, но в любом случае возвращается в атмосферу и далее в космос. Так, 12 ккал/(см^2. год) возвращается в атмосферу через турбулентные потоки воздуха, 60 ккал/(см^2. год) — в результате испарения воды с поверхности и ее конденсации в атмосфере, а 36 ккал/(см^2. год) уходит в космос в виде длинноволнового инфракрасного излучения. Часть этого инфракрасного излучения (1,3 ккал/(см^2. год)) задерживается в атмосфере, нагревая ее и формируя «парниковый» эффект.

Парниковым эффектом атмосферы называется разность между средней температурой поверхности планеты и ее радиационной (эффективной) температурой, под которой эта планета видна из космоса.

Радиационная температура — величина, характеризующая полную (по всему спектру) энергетическую яркость излучающего тела.

Энергия, поступающая к поверхности Земли, распределятся между сушей и океаном, причем океан забирает почти вдвое больше, чем суша. Это объясняется большой теплоемкостью воды и ее подвижностью. Мировой океан является мощным аккумулятором солнечного тепла, в нем содержится тепла в 2100 раз больше того количества, которое за год поступает от Солнца ко всей поверхности Земли (7,6*10²³ ккал по сравнению с потоком в 3,65*10²⁰ ккал/год). Поэтому его взаимодействием с атмосферой определяется погода на земном шаре. Тепло, поглощаемое в тропиках, переносится течениями в высокие широты, смягчая климат умеренных и полярных шрот. В целом гидросфера работает под влиянием накачки солнечной энергии как гигантская тепловая машина.

В отличие от воды, которая испытывает фазовые превращения и гораздо более энергоемка, воздух только механически перемещается согласно градиенту температур и давлений. Зато скорость его перемещения может быть очень высокой по сравнению с водными потоками.

Воздух тропиков, нагреваясь, расширяется и поднимается к верхним слоям атмосферы. Воздух полярных районов охлаждается и, сжимаясь, опускается вниз и растекается по поверхности Земли, устремляясь в тропические районы. Вращение Земли приводит к отклонению циркуляции воздуха от меридионального направления. Особенности земной поверхности вызывают дополнительные завихрения и потоки, образование которых трудно предсказать (бури, ураганы и т.п.).

 

Контрольные вопросы по теме:

1. За счет чего осуществляется функционирование биосферы?

2. Что является условием сохранения устойчивости биосферы?

3. Что т