Большой круговорот вод на поверхности земного шара и фазы круговорота в пределах экосистемы

Вода не только источник кислорода и водорода, но и наиболее значительная составная часть тела живых существ, например:

–  в теле человека она составляет в среднем по весу тела 60%;

–  в растительных организмах достигает 95%.

На поверхности земного шара широко известен большой круговорот воды:

–  вызываемое солнечной энергией испарение с водных пространств, создает атмосферную влагу;

–  эта влага конденсируется в форме облаков, переносимых ветром;

–  охлаждение облаков вызывает осадки в виде дождя, снега, града;

–  осадки поглощаются почвой или стекают по её поверхности;

–  вода возвращается в моря и океаны.

Наиболее для нас важны те фазы круговорота воды, которые происходят в пределах экосистемы – перехват, эвапотранспирация, инфильтрация и сток.

· Перехват – способность растительности перехватывать часть выпадающей в осадках воды до того, как она достигает почвы и испарения её в атмосферу. Перехват в умеренных широтах может достигать 25% общей суммы осадков.

· Инфильтрация – часть воды, которая задерживается в почве, особенно при значительном почвенно-коллоидальном комплексе (гумус, глина). Та часть воды, которая промывает почву на глубину 20–30 см., может вновь подняться на её поверхность по капиллярам и испариться.

· Эвапотранспирация – отдача воды в атмосферу в результате физического испарения воды и транспирированную биологически воду.

Корни растений способны всасывать почвенную воду со значительно большой глубины. Эта вода, доставленная листве, транспортируется в атмосферу.

Количество воды, транспирируемой растениями обычно велико, например:

–  одна береза испаряет за день 75 л. воды, липа – 200 л., а 1 га леса – от 20 до 50 тыс. л.

–  один гектар пшеницы использует за период развития 3750 т воды, что соответствует 375 мм осадков, а продуцирует 12,5 т (сухой вес) растительного вещества.

Согласно «правилу Вольтера», где величина годовых осадков ниже 30 см, продуктивность растительного покрова пропорциональна количеству осадков, там создается 1 т сухого вещества на каждые 10 см осадков. Испарение в средней Европе в 1 тыс. т на 1 га в год.

Учение В.И. Вернадского о биосфере

Вернадский Владимир Иванович (1868–1945) – выдающийся русский ученый-геохимик, основоположник учения о биосфере, изложенного в монографиях «Биосфера» (1926) и «Несколько слов о ноосфере» (1944).

Учение академика В.И. Вернадского о биосфере представляет собой:

–  обобщение естественнонаучных знаний;

–  вобрало в себя эволюционные взгляды Ч. Дарвина и периодический закон Д.И. Менделеева, теорию единства пространства и времени А. Эйнштейна;

–  идеи о неразрывной связи живой и неживой природы отечественных и зарубежных ученых.

В работах В.И. Вернадского рассматриваются:

– компоненты биосферы и ее границы;

– функции живого вещества;

– эволюция биосферы.

Структура биосферы

В.И. Вернадский выделил основные компоненты, которые составляют биосферу: живое вещество, косное (неживое) вещество, биогенное вещество, биокосное вещество, радиоактивные вещества, рассеянные атомы, вещества космического происхождения.

· Живое вещество – В.И. Вернадский назвал совокупностью живых организмов, населяющих планету Земля. Это главная сила преобразующая поверхность планеты, основа формирования и существования самой биосферы. Живое вещество, во все геологические эпохи, преобразуя и аккумулируя солнечную энергию, влияло на химический состав земной коры. Биомасса, как правило – величина постоянная или мало изменяющаяся с течением времени. В.И. Вернадский подчеркивал, что современное живое вещество генетически родственно живому веществу прошлых геологических эпох.

· Биогенное вещество – осадочные породы органического происхождения – каменный уголь, отложение мела, сапропели.

· Косное вещество – горные породы, в основном магматического происхождения которые составляют земную кору.

· Биокосное вещество, которое возникает в результате расхода и переработки горных пород живыми организмами, например, почва, возникшая в процессе преобразования литосферы под влиянием воздуха, воды, живых организмов.

· Радиоактивные вещества, поступающие в биосферу в результате естественных ядерных преобразований, при извержении вулканов; процессы их носят циклический характер.

· Рассеянные атомы, не связанные в химические соединения, которые при благоприятных условиях включаются в те или иные химические процессы и образуют новые соединения.

· Вещества космического происхождения – космическая пыль и метеориты, которые оказывают влияние на газовый, ионный и аэрозольный состав верхних слоев атмосферы, а также на прохождение солнечных лучей.

Биосфера – это часть литосферы, атмосферы и гидросферы, заселенная живым веществом. В.И. Вернадский отмечал, что живое вещество в основном сконцентрировано в приповерхностном слое суши и воды, где находится более 90% биомассы Земли. Он доказал, что вместе взятые организмы, выступают как мощный геологический фактор, играющий существенную роль в жизни нашей планеты. Геологическая деятельность живых организмов проявляется как следствие следующих особенностей:

–  живые организмы связаны с окружающей средой и взаимодействуют с ней в результате обмена веществом и энергией;

–  обмен веществ организмов со средой осуществляется в процессе биологического круговорота веществ;

–  эффект результатов деятельности организмов осуществляется длительно на протяжении даже геологических эпох.

В.И. Вернадский впервые показал, что наружное состояние коры находится под влиянием живых организмов, с деятельностью которых связан великий планетарный процесс – миграция химических элементов в биосфере.

Экология выявляет закономерности протекания изучаемых процессов и формирует их в виде кратких логических и проверенных практикой положений – законов. К таким законам относится закон, сформулированный В.И. Вернадским: «Закон биогенной миграции атомов». Миграция химических элементов на земной поверхности и в биосфере в целом осуществляется при непосредственном участии живого вещества – биогенная миграция.

Границы биосферы совпадают с границами распространения живых организмов в оболочках Земли. Это обусловлено наличием условий жизни, т. е. достаточное количество воды, нормальный физико-химический состав тропосферы, температурный режим и другие факторы.

В пределах биосферы нет абсолютно безжизненных пространств. В.И. Вернадский высказал идею, что живое вещество способно «растекаться» по поверхности планеты, оно с огромной скоростью захватывает все не занятые участки биосферы, что обуславливает «давление жизни» на неживую природу.

Влияние живых организмов на все протекающие в биосфере процессы, по мнению В.И. Вернадского, в основном связано с их способностью к размножению. Он подсчитал, что если бы условия жизни определенных организмов были исключительно благоприятными, то они были бы способны «охватить поверхность планеты» в течение следующего времени:

–  муха домашняя – 1 год;

–  курица – 18 лет;

–  крыса – 8 лет;

–  слон – 1000 лет.

Биосфера по вертикали разделяется на две обособленные области:

–  верхнюю, освещенную светом – фотобиосферу, где происходит сложный процесс – фотосинтез;

–  нижнюю «темную» – меланобиосферу, в которой фотосинтез невозможен. Граница между ними проходит по поверхности Земли.

Биосфера охватывает нижнюю часть атмосферы до высоты озонового экрана (20–25 км), верхнюю часть литосферы и всю гидросферу до глубинных слоев океана. В.И. Вернадский отмечал, что «пределы биосферы обусловлены, прежде всего, полем существования жизни». На наличие жизни и границы биосферы оказывает влияние наличие кислорода, углекислого газа, воды в её жидкой фазе, слишком высокие и низкие температуры, минеральные элементы, концентрация солей.

В планетарной биосфере выделяют континентальную и океаническую биосферы, которые отличаются условиями жизни. В океанической биосфере нижний предел распространения живого ограничивается дном океана (глубина около 11 км) и изотермой в 100°С в литосфере. По данным сверхглубокого бурения на Кольском полуострове эта цифра составляет около 6 км). Таким образом, вертикальная мощность океанической биосферы составляет 17 км. Вверх, в атмосферу биосфера простирается не выше наибольших плотностей озонового экрана, что составляет 22–24 км. Следовательно, предел протяженности биосферы на Земле выражается цифрой 33–35 км.