БИОСФЕРА
Биосфера — область системного взаимодействия живого и костного вещества планеты. Она представляет собой глобальную экосистему совокупность всех биогеоценозов (экосистем) нашей планеты. В 1875 г. австрийский геолог Э. Зюсс Биосфера – область взаимодействия основных оболочек Земли: атмосферы, гидросферы и литосферы, где встречаются живые организмы.
Используя этот термин, он создал науку «биосфера» , ввел понятие «живое вещество» - совокупность всех живых организмов, а также отвел живым организмам роль главнейшей преобразующей силы планеты Земля, учитывая деятельность организмов не только в настоящее время, но и в прошлом. Биосфера — это все пространство, где существует или когда-либо существовала жизнь, т. е. где встречаются живые организмы или продукты их жизнедеятельности.
Биосфера охватывает всю поверхность Земли, покрывая её плёнкой живого вещества В структуре биосферы Вернадский выделял семь видов вещества: * живое; * биогенное (возникшее из живого или подвергшееся * * * переработке); косное (абиотическое, образованное вне жизни); биокосное (возникшее на стыке живого и неживого; к биокосному, по Вернадскому, относится почва); вещество в стадии радиоактивного распада; рассеянные атомы; вещество космического происхождения.
Важным этапом необратимой эволюции биосферы Вернадский считал её переход в стадию ноосферы. Основные предпосылки возникновения ноосферы: * расселение Homo sapiens по всей поверхности планеты и его победа в соревновании с другими биологическими видами; * развитие всепланетных систем связи, создание единой для человечества информационной системы; * открытие таких новых источников энергии как атомная, после чего деятельность человека становится важной геологической силой; * победа демократий и доступ к управлению широких народных масс; * всё более широкое вовлечение людей в занятия наукой, что также делает человечество геологической силой.
* Земля и окружающая ее среда сформировались в результате закономерного развития всей солнечной системы. Около 4, 7 млрд лет назад из рассеянного в протосолнечной системе газопылеватого вещества образовалась планета Земля. Как и другие планеты, Земля получает энергию от Солнца, достигающую земной поверхности в виде электромагнитного излучения. Солнечное тепло - одно из главных слагаемых климата Земли, основа для развития многих геологических процессов. Огромный тепловой поток исходит из глубины Земли. Масса Земли составляет 6 × 1021 т, объем - 1, 083 × 1012 км 3, площадь поверхности - 510, 2 млн км 2. Размеры, а следовательно, и все природные ресурсы нашей планеты ограничены.
* Наша планета имеет неоднородное строение и состоит из концентрических оболочек (геосфер) - внутренних и внешних. К внутренним относятся ядро, мантия. К внешним - литосфера (земная кора), гидросфера, атмосфера, и сложная оболочка Земли - биосфера.
Границы биосферы Верхняя граница теоретически определяется озоновым слоем. Практически же максимальная высота над уровнем моря, на которой может существовать живой организм, ограничена уровнем, до которого сохраняются положительные температуры, могут жить хлорофиллосодержащие растения - продуценты (6200 м в Гималаях). Выше, до «линии снегов» , обитают пауки, ногохвостки и некоторые клещи, питающиеся зернами растительной пыльцы, спорами растений, микроорганизмами и другими органическими частицами, заносимыми ветром.
На высотах 7500 -8000 м играет роль другой абиотический фактор — абсолютное атмосферное давление и только отдельные виды птиц могут постоянно жить и на высотах 4000— 5000 м. Нижняя граница существования активной жизни традиционно определяется дном океана 11 022 м (максимальная глубина Марианской впадины) и глубиной литосферы, характеризующейся температурой 100 °С (около 6000 м, по данным сверхглубокого бурения на Кольском полуострове).
В основном жизнь в литосфере распространена лишь на несколько метров вглубь, ограничиваясь почвенным слоем. Теоретически на глубинах 25 000 м относительно уровня моря должна иметь место критическая температура 460 °С, при которой при любом давлении вода существует только в виде пара, а следовательно, жизнь невозможна.
Биосфера как глобальная экосистема имеет сложную структуру. По отношению к освещенности биосфера состоит из следующих слоев: фотосферы - освещенной части биосферы (область развития жизни при нормальном освещении), дисфотосферы - сферы слабого освещения (сюда проникает около 1% солнечного света); афотосферы – сферы, лишенной солнечного света (распространяется в пределах гидросферы и литосферы, здесь развитие жизни проходит без солнечного света).
Общее строение планеты Внутреннее строение нашей нескольких геосфер или планеты оболочек в виде изучено относительно мало и преимущественно по данным сейсморазведки, исследующей процессы распространения в Земле искусственно вызванных упругих колебаний.
Рис. 1. Внутреннее строение Земли
Эксперименты и соответствующие теоретические расчеты позволили создать следующую модель. В центре Земли имеется внутреннее твердое субъядро радиусом 1250 км, состоящее из вещества плотностью 13 г/см 3 (по одной из гипотез считают, что такую плотность может иметь только металл). Вокруг субъядра находится жидкое внешнее ядро радиусом 3470 км, состоящее из расплавленного вещества. Регулярные течения этой высокоэлектропроводной жидкости, по одной из гипотез, являются причиной существования магнитного поля Земли.
Внешнее жидкое и внутреннее твердое ядра в сумме составляют: 16% земного шара по объему и 31, 5% по массе. Снаружи жидкого ядра следует мантия, распространяющаяся с глубины 2900 км до глубины около 40 км относительно уровня моря на поверхности планеты. Температура на границе ядра и мантии составляет около 4500 °С, а плотность вещества меняется скачкообразно с 10, 1 у ядра до 5, 6 т/м 3 у мантии. По другим данным температура ядра не меньше 2000 °С и не больше 5000 °С. Мантия составляет 83% объема планеты (без атмосферы) и 67% массы.
Снаружи мантии расположена твердая, но очень тонкая (20 - 40 км) оболочка - кора Земли, составляющая около 1% планеты по объему и 0, 5% по массе. При переходе из мантии в кору (поверхность или граница Мохоровичича - граница Мохо) плотность вещества скачкообразно меняется с 3, 2 до 2, 9 т/м 3. Максимальные глубины, которых достиг человек к концу XX в. , составляют 15 км (скважина на Кольском полуострове) и 3, 5 км (шахта «Ист Рэнд» в Южной Африке). Сейсморазведка – единственный доступный человеку метод изучения внутреннего строения Земли.
* Граница (поверхность) Мохоровичича — нижняя граница земной коры, на которой происходит резкое увеличение скоростей продольных сейсмических волн с 6, 7— 7, 6 до 7, 9— 8, 2 км/с и поперечных — с 3, 6— 4, 2 до 4, 4— 4, 7 км/с. Плотность вещества также возрастает скачком, предположительно, с 2, 9— 3 до 3, 1— 3, 5 т/м³. Поверхность Мохоровичича прослеживается по всему Земному шару на глубине от 5 до 70 км. Она может не совпадать с границей земной коры и мантии, вероятнее всего, являясь границей раздела слоёв различного химического состава. Поверхность, как правило, повторяет рельеф местности. В общих чертах форма поверхности Мохоровичича представляет собой зеркальное отражение рельефа внешней поверхности литосферы: под океанами она выше, под континентальными равнинами — ниже. Установлена в 1909 году хорватским геофизиком и сейсмологом Андреем Мохоровичичем на основании сейсмических данных. Было замечено, что сейсмограмма неглубоких землетрясений имеет два и более акустических сигналов: прямой и преломленный.
*
Скорости распространения продольных волн: в коре она составляет около 7 км/с, в мантии за границей Мохо — около 8 км/с, при переходе из мантии в ядро скорость меняется скачком с 13, 6 до 8, 1 км/с. Поперечные волны распространяться. в ядре вообще не могут Проходя границу раздела двух сред с различной плотностью, упругие колебания частично отражаются, возвращаясь на поверхность. Давление с глубиной быстро растет, и в центре Земли оно достигает 370 ГПа (3, 7 млн атм), а сила тяжести постепенно убывает до нуля.
Рис. 2. Зависимость скорости распространения сейсмических волн от глубины (сейсмическая модель Земли Джеффриса -Гуттенберга): 1 — продольные волны; 2 — поперечные волны.
Самый нижний слой земной коры называют базальтовым, потому что скорости распространения сейсмических волн в нем такие же, как в базальте, хотя действительный его состав неизвестен. В базальтовом слое как бы плавают гранитные «подушки» толщиной 15— 20 км, на которых расположена трех-пятикилометровая толща осадочных пород континентов. Они состоят из различных кристаллических пород, скорость движения сейсмических волн в которых такая же, как в гранитах. Плотность гранитов при одинаковом давлении и температуре ниже плотности базальтов.
Рис. 3. Схема строения земной коры в экваториальном разрезе: 1 — океаническая вода; 2 — осадочные породы; 3 — граниты; 4 — базальты; 5 — мантия 1 2 3 4 5
Океаническая кора имеет следующие существенные отличия от материковой: толщина ее составляет обычно 3— 7 км, что на порядок меньше; гранитный слой отсутствует; осадочный слой обычно очень тонок - менее 1 км; между осадочным и базальтовым слоями находится небольшой слой, состав которого практически неизвестен. Методами гравиметрии и глубинного сейсмического зондирования установлено, что чем выше расположена какая-либо местность, тем толще под ней кора и тем глубже она уходит в мантию.
Получается, что поверхность Мохоровичича повторяет рельеф земной поверхности в перевернутом виде, т. е. является отражением в горизонтальном зеркале с многократным увеличением вертикального масштаба. Континенты и вся кора как бы плавают в более плотной мантии, подчиняясь закону Архимеда и перемещаясь друг относительно друга со скоростью в несколько сантиметров в год. В соответствии с теорией глобальной тектоники движутся тектонические плиты - большие участки земной коры, включающие в себя, помимо континентов, также и соседние участки океанического дна.
Более 90 % поверхности Земли в современную эпоху покрыто 8 крупнейшими литосферными плитами: Австралийская плита Антарктическая плита Африканская плита Евразийская плита Индостанская плита Тихоокеанская плита Северо-Американская плита Южно-Американская плита Среди плит среднего размера можно выделить Аравийскую плиту, а также плиты Кокос и плиту Хуан де Фука, остатки огромной плиты Фаралон, слагавшей значительную часть дна Тихого океана, но ныне исчезнувшую в зоне субдукции под Северной и Южной Америками. Плиты сталкиваются и одна погружается под другую, образуя зоны субдукции (глубоководные океанические желоба).
*
Трение на границах сдвигающихся плит - причина землетрясений, а нагревание осадочного слоя опускающейся плиты, сопровождающееся химическими реакциями, - причина извержений вулканов. Характерным примером является цепь вулканов на Дальнем Востоке вдоль границы, где тихоокеанская плита опускается под евроазиатскую. Излияние лав и дегазация идут не только в вулканах на суше, но и на дне океана, в рифтовых (от англ. rift — трещина, ущелье) долинах - разломах земной коры, проходящих по оси срединно-океанических хребтов.
В общей сложности протяженность таких разломов на дне океанов составляет не менее 70 тыс. км. Рифтовые долины образуют границы литосферных плит, на которые разбита вся поверхность планеты. В рифтовых зонах земная кора раздвигается за счет подъема из глубин недр вещества, которое наращивает края плит, формируя вокруг струи сооружение в виде трубы со столбами черного или белого дыма - «черные» или «белые» курильщики.
В Атлантическом океане почти на равном расстоянии от Американского континента, Европы и Африки обнаружен простирающийся с юга на север горный хребет, названный Срединно-Атлантическим. Он возвышается над дном океана почти на 3 км. Ширина хребта исчисляется сотнями километров. Подобные хребты выявлены в Индийском, Тихом и Северном Ледовитом океанах. По своей протяженности, ширине и высоте они не уступают складчатым горным поясам материков. Вдоль осевых частей хребтов, приравненных к срединно-океаническим, протягивается глубокая (до 3 км) и широкая (25— 50 км) трещина — рифт.
Считают, что деятельность вулканов и рифтовых зон в до-кембрийский период, сопровождавшаяся извержением и кристаллизацией (с дегидратацией) вещества мантии, способствовала образованию воды на Земле, заполнившей Мировой океан планеты. Механизмы, приводящие к движению плит и дрейфу континентов, изучены не до конца, тем не менее проявления тектонической деятельности в виде извержений вулканов обнаружены и на других планетах и спутниках, что говорит о сходных процессах в их недрах.
С помощью искусственных спутников установлено, что Земля имеет несколько «грушевидную» форму: ее Северный полюс приподнят на 15 м относительно правильного эллипсоида, а Южный — опущен на 20 м. Кроме того, доказано, что экваториальное сечение Земли также имеет форму эллипса с разницей между большой и малой полуосями в 100 м. По сравнению с размерами всей Земли неровности ее поверхности весьма незначительны, и в расчетах ими пренебрегают.
Атмосфера — газовая оболочка планеты. На Земле сформировалась в результате геологической эволюции и непрерывной деятельности организмов. Состав современной атмосферы - результат динамического равновесия, поддерживаемого процессами жизнедеятельности организмов и различными геохимическими явлениями глобального масштаба. Общая масса атмосферы 5, 15 × 1015 т. На высоте от 10 до 50 км, с максимумом концентрации на высоте 20 -25 км, расположен слой озона, защищающий Землю от чрезмерного ультрафиолетового облучения, гибельного для организмов.
Структура атмосферы Параметры, характеризующие атмосферу (температура, давление, химический состав и др. ), изменяются прежде всего с высотой относительно уровня моря, а характеризующие нижние слои зависят и от географической широты. Давление Р, так же, как и плотность газов атмосферы, связаны с изменением сил гравитации по мере удаления от поверхности планеты, а температура зависит от того, как взаимодействует излучение Солнца с разными газами в различных слоях атмосферы.
Изменение давления (а), температуры (б) над поверхностью Земли.
Структура атмосферы над поверхностью Земли
Эти газы поглощают излучения разных длин волн. При этом все же большая часть излучения Солнца, имеющая длины волн вблизи максимума спектра, не поглощается атмосферой и доходит до поверхности Земли, согревая ее. Высота слоя тропосферы изменяется от 7— 10 км над полюсами до 16— 18 км над экватором. Тропосфера содержит почти половину всего водяного пара атмосферы, при конденсации которого образуется облачность нижняя (до высоты 1 -2 км), средняя (на высоте 2 -4 км) и верхняя (6 -10 км). Содержание водяных паров может колебаться от 0 по объему в сухом воздухе до почти 4% в максимально влажном.
При нормальном состоянии тропосферы ей присуще снижение температуры воздуха с градиентом 6, 5 °С на 1 км высоты, которое в значительной степени зависит от содержания паров воды и СО 2. Газовый состав Первичный состав атмосферы Земли определили газообразные продукты химических реакций, происходивших в первичном веществе под действием высоких давлений и температур. При этом в земной атмосфере оказалось так много паров воды, что большая их часть сконденсировалась, образовав первичный океан. Эти процессы продолжаются на Земле и сейчас.
Таблица 1. Атмосферы небесных тел Солнечной системы
Табл. 2. Состав атмосферного воздуха над незагрязненной территорией на рубеже XX и XXI вв.
Табл. 3 Изменение состава воздуха и давления с высотой над уровнем моря
За время эволюции биосферы состав атмосфры изменился принципиально появился и стал одним из основных компонентов кислород, образовался защитный озоновый слой, значительно колебалась концентрация диоксида углерода. На протяжении суток, в различные периоды года состав воздуха практически постоянен, что объясняется огромной массой земной атмосферы, перемешиванием ее нижних слоев (в пределах тропосферы), большой скоростью диффузии газов. За последние столетия наблюдается медленное увеличение концентрации диоксида углерода и метана (группа - «парниковых газов)» .
При одинаковой температуре наибольшие скорости теплового движения имеют молекулы водорода и гелия – газов с наименьшей молярной массой. Выше 700 км над уровнем моря атмосфера Земли состоит практически только из этих газов. Однако даже при очень высокой температуре (~1200 К) лишь малая доля водорода и гелия обладает скоростями, близкими ко второй космической скорости Земли и, следовательно, может улететь в космос. Убыль гелия и водорода с планеты постоянно восполняется. Гелий образуется в земной коре при распаде тяжелых радиоактивных элементов.
Водород образуется в верхних слоях атмосферы (на высотах 30— 50 км) из воды под действием ультрафиолетой части спектра излучения Солнца. Ежесекундно из атмосферы в космос улетает примерно 1 кг водорода, для чего разлагается 9 кг Н 2 О. Расчет показывает, что воды Мирового океана хватит на 5 тыс. млрд лет, т. е. навсегда, так как возраст Земли около 4, 6 млрд лет. Без участия растений приведение химического состава Земли к современому состоянию (1015 т) было бы невозможно. Кислорода они производят порядка 3 • 106 кг/с или 1011 т/г.
Однако последние миллионы лет содержание кислорода больше не увеличивается: кислород, создаваемый растениями, расходуется на дыхание животных, окисление вулканических газов, горение и гниение мертвых растений. В настоящее время значительное количество кислорода потребляется промышленностью и транспортом. Озоновый слой К числу наиболее важных характеристик атмосферы Земли, имеющих существенное экологобиологическое значение, относится наличие в ней озонового слоя.
Озон резко (примерно в 104 раз) ослабляет часть (с длиной волны < 320 нм) ультрафиолетового спектра (10 < < 400 нм) электромагнитного излучения Солнца, крайне опасную для всего живого на Земле. Различают ближнее ультрафиолетовое излучение (УФИ) с 200 < < 400 нм и дальнее, или вакуумное, - с 10 < < 200 нм.
По биологическому эффекту в диапазоне ближнего УФИ выделяют три области: УФИ-А с 320 нм < < 400 нм - имеет незначительный отрицательный эффект, но положительно воздействует на все живое. Под его действием в кожном покрове вырабатывается витамин D, играющий ключевую роль в кальциевом обмене организма человека. Недостаток этого витамина - причина детского рахита и старческой ломкости костей. Загар и пигментация кожи также связаны с излучением этого диапазона.
УФИ-В с 290 нм < < 320 нм: также способствует загару, активизирует обмен веществ, улучшает общее состояние человека; однако при больших дозах (при = 297 нм) вызывает тяжелые последствия - солнечные ожоги, фотоканцерогенез - злокачественные новообразования в коже (меланомы и саркомы).
УФИ-С с 200 нм < < 290 нм: особенно вредно. Оно активно воздействует на нуклеиновые кислоты и белки, умерщвляет живые клетки, обладает выраженным бактерицидным действием. Поверхности Земли, наряду с видимым светом и инфракрасным излучением достигает только УФИ-А и сильно ослабленное УФИ-В: излучение в диапазоне УФИ-В задерживается озоном, в диапазоне УФИ-С — кислородом, а в диапазоне дальнего УФИ — и иными газами.
Одним из важнейших процессов, протекающих в верхних слоях атмосферы, является диссоциация О 2 с образованием атомарного кислорода: О 2 + hv О + О Такая реакция требует много энергии, т. к. энергия связи кислород—кислород в молекуле составляет 498 к. Дж/моль. На высоте около 130 км содержание О 2 и О одинаково, а на высотах более 200 км присутствует практически только атомарный кислород.
Распределение кислорода в молекулярной и атомарной формах по высоте атмосферы.
Поступающая из Космоса радиация проходит через верхние слои атмосферы, встречает присутствующие там газы, и наиболее коротковолновая часть излучения вызывает их ионизацию, описываемую уравнениями:
На высотах 30— 50 км взаимодействие атомарного кислорода с молекулярным приводит к образованию озона: О 2 + О + М → О 3 + М На меньших высотах скорость образования озона О 3 увеличивается пропорционально соотношению концентраций газов и уменьшается из-за поглощения света с < 240 нм, что опреяет наличие максимума содержания озона на высотах около 25 км. Озон в тропосфере активно поглощает солнечное инфракрасное излучение (с < 1130 нм ).
Распределение озона в атмосфере. В стратосфере озон интенсивно разлагается ультрафиолетовым излучением ( < 320 нм)
Общее количество озона в атмосфере оценивается всего в 3, 3 · 109 т. Реально в атмосфере никакого «отдельного» слоя озона нет. Это лишь название достаточно широкой области, где концентрация озона максимальна. Большое количество различных газов и паров поступает в атмосферу из действующих вулканов, гейзеров, геотермальных и других подземных источников. При извержении вулканов выделяются диоксид углерода, сероводород, сернистый газ, соединения фтора и хлора, а при спокойном состоянии - сероводород, метан, диоксид углерода.
Антропогенное загрязнение атмосферы различные предприятия промышленности, транспорта, энергетики, коммунального хозяйства и т. п. Атмосферные загрязнители делят на первичные и вторичные, являющиеся результатом превращений последних, так: SO 2 +O SO 3 + H 2 O H 2 SO 4
Ионизирующие излучения: естественными источниками ионизирующих излучений являются космическое пространство, а также сосредоточенные в земной коре радиоактивные нуклиды урана, тория и актиния, выделяющие в процессе распада в атмосферу изотопы радона, от которого человек получает половину годовой индивидуальной эффективной дозы облучения. Радон в 7, 5 раз тяжелее воздуха и является альфарадиоактивным. Период полураспада радона-222 равен 3, 8 сут. После -распада ядро радона превращается в ядро полония. Заканчивается ряд стабильным изотопом свинца.
Основную часть дозы облучения от радона человек получает, находясь в закрытых, непроветриваемых помещениях. Родон может проникать сквозь трещины в фундаменте, через пол из земли и накапливаться в основном в нижних этажах жилых зданий. Одним из источников радона могут быть конструкционные материалы, используемые в строительстве. К ним в первую очередь относятся гранит, пемза, глинозем. Из космоса на Землю поступают космические лучи, представленные потоками высокоэнергетических протонов (~90%), ядер гелия (~ 9%), нейтронов, электронов и ядер легких элементов (~1%).
Мощную защиту человека и всей биосферы от космических заряженных частиц радиации создает магнитное поле Земли. Тем не менее часть частиц с высокой энергией преодолевает магнитосферу и достигает верхних слоев атмосферы, сталкиваются с атомами азота, кислорода, углерода атмосферы, взаимодействует с их ядрами и рождает вторичное космическое излучение из протонов, -мезонов и нейтронов, радиоактивные изотопы ряда легких элементов - бериллия-7, углерода-14, трития (водорода-3) и др.
Скачать презентацию БИОСФЕРА Биосфера область системного взаимодействия живого
ЛЕКЦИЯ 5 БИОСФЕРА часть 1.pptx