СТРОЕНИЕ БИОСФЕРЫ
Биосфе́ра — геологическая оболочка Земли, заселённая живыми организмами, находящаяся под их воздействием и занятая продуктами их жизнедеятельности; «пленка жизни»; глобальная экосистема Земли.
Термин «биосфера » был введён в биологии Жаном-Батистом Ламарком (Рис.4.18) в начале XIX в., а в геологии предложен австрийским геологом Эдуардом Зюссом (Рис.4.19)_в 1875 году.
Целостное учение о биосфере создал русский биогеохимик и философ В.И. Вернадский. Он впервые отвёл живым организмам роль главнейшей преобразующей силы планеты Земля, учитывая их деятельность не только в настоящее время, но и в прошлом.
Биосфера располагается на пересечении верхней части литосферы, нижней части атмосферы и занимает всю гидросферу (Рис.4.1).
Рис.4.1 Биосфера
Границы биосферы
- Верхняя граница в атмосфере: 15÷20 км. Она определяется озоновым слоем, задерживающим коротковолновое УФ-излучение, губительное для живых организмов.
- Нижняя граница в литосфере: 3,5÷7,5 км. Она определяется температурой перехода воды в пар и температурой денатурации белков, однако в основном распространение живых организмов ограничивается вглубь несколькими метрами.
- Нижняя граница в гидросфере: 10÷11 км. Она определяется дном Мирового Океана, включая донные отложения.
Биосферу слагают следующие типы веществ:
- Живое вещество — вся совокупность тел живых организмов, населяющих Землю, физико-химически едина, вне зависимости от их систематической принадлежности. Масса живого вещества сравнительно мала и оценивается величиной 2,4-3,6·1012 т (в сухом весе) и составляет менее 10-6 массы других оболочек Земли. Но это одна «из самых могущественных геохимических сил нашей планеты», поскольку живое вещество не просто населяет биосферу, а преобразует облик Земли. Живое вещество распределено в пределах биосферы очень неравномерно.
- Биогенное вещество — вещество, создаваемое и перерабатываемое живым веществом. На протяжении органической эволюции живые организмы тысячекратно пропустили через свои органы, ткани, клетки, кровь всю атмосферу, весь объём мирового океана, огромную массу минеральных веществ. Эту геологическую роль живого вещества можно представить себе по месторождениям угля, нефти, карбонатных пород и т.д.
- Косное вещество — в образовании которого жизнь не участвует; твердое, жидкое и газообразное.
- Биокосное вещество, которое создается одновременно живыми организмами и косными процессами, представляя динамически равновесные системы тех и других. Таковы почва, ил, кора выветривания и т. д. Организмы в них играют ведущую роль.
- Вещество, находящееся в радиоактивном распаде.
- Рассеянные атомы, непрерывно создающиеся из всякого рода земного вещества под влиянием космических излучений.
- Вещество космического происхождения.
Строение земли
. О строении, составе и свойствах «твердой» Земли имеются преимущественно предположительные сведения, поскольку непосредственному наблюдению доступна лишь самая верхняя часть земной коры. Наиболее достоверные из них – с е й с м и ч е с к и е м е т о д ы, основанные на изучении путей и скорости распространения в Земле упругих колебаний (сейсмических волн). С их помощью удалось установить разделение «твердой» Земли на отдельные сферы и составить представление о внутреннем строении Земли». Получается, что общепринятое представление о глубинном строении земного шара является предположением, потому что создано не по прямым фактическим данным. В учебниках по географии о земной коре, мантии и ядре сообщается как о реально существующих объектах без тени сомнения возможной их выдуманности. Термин «земная кора» появился в середине XIX в., когда в естествознании получила признания гипотеза образования Земли из раскаленного газового шара, в настоящее время именуемая гипотезой Канта-Лапласа. Мощность земной коры принималась 10 миль (16 км). Ниже – первичный расплавленный материал, сохранившийся с момента образования нашей планеты.
В 1909г. на Балканском полуострове, около г. Загреба, произошло сильное землетрясение. Хорватский геофизик Андрия Мохоровичич, изучая сейсмограмму, записанную в момент этого события, заметил, что на глубине примерно 30 км скорость волн существенно увеличивается. Данное наблюдение подтвердили и другие сейсмологи. Значит, существует некий раздел, ограничивающий снизу земную кору. Для его обозначения ввели особый термин – поверхность Мохоровичича (или раздел Мохо) (Рис.4.2).
Рис.4.2 Мантия, астеносфера, поверхность Мохоровичича
Земля заключена в твердую внешнюю оболочку, или литосферу, состоящую из коры и твердого верхнего слоя мантии. Литосфера расколота на огромные блоки, или плиты. Под давлением могучих подземных сил эти плиты непрерывно движутся (Рис.4.3). В одних местах их движение приводит к возникновению горных хребтов, в других края плит втягиваются в глубокие впадины. Это явление называется поддвигом, или субдукцией. Смещаясь, плиты то соединяются, то раскалываются, и зоны их стыков называют границами. Вот в этих наиболее слабых точках земной коры чаще всего и зарождаются вулканы.
Рис.4.3 Плиты Земли
Под корой на глубинах от 30-50 до 2900 км расположена мантия Земли. Она состоит главным образом из горных пород, богатых магнием и железом. Мантия занимает до 82% объема планеты и подразделяется на верхнюю и нижнюю. Первая залегает ниже поверхности Мохо до глубины 670 км. Быстрое падение давления в верхней части мантии и высокая температура приводят к плавлению ее вещества. На глубине от 400 км под материками и 10-150 км под океанами, т.е. в верхней мантии, был обнаружен слой, где сейсмические волны распространяются сравнительно медленно. Этот слой назвали астеносферой (от греч. “астенес” - слабый). Здесь доля расплава составляет 1-3%, более пластичная, чем остальная мантия. Астеносфера служит “смазкой”, по которой перемещаются жесткие литосферные плиты. По сравнению с породами, слагающими земную кору, породы мантии отличаются большой плотностью и скорость распространения сейсмических волн в них заметно выше. В самом “подвале” нижней мантии – на глубине 1000км и до поверхности ядра – плотность постепенно увеличивается. Из чего состоит нижняя мантия, пока остается загадкой.
Рис.4.4 Предполагаемое строение Земли
Предполагают, что поверхность ядра состоит из вещества, обладающего свойствами жидкости. Граница ядра находится на глубине 2900 км. А вот внутренняя область, начинающаяся с глубины 5100км, должна вести себя как твердое тело. Это должно быть обусловлено очень высоким давлением. Даже на верхней границе ядра теоретически рассчитанное давление составляет около 1,3 млн.атм. а в центре достигает 3 млн.атм. Температура здесь может превышать 10000о 
С. Однако насколько справедливы данные предположения можно только гадать (Рис.4.4). Первая же проверка бурением строения земной коры континентального типа из гранитного слоя и ниже его базальтового дала другие результаты. Речь идет о результатах бурения Кольской сверхглубокой скважины(Рис.4.5). Заложена она была на севере Кольского полуострова в чисто научных целях для вскрытия на глубине 7 км предсказанного предположительно базальтового слоя. Там горные породы имеют скорость продольных сейсмических волн 7,0-7,5 км/с. По этим данным базальтовый слой и выделяется повсеместно. Это место было выбрано потому, что по геофизическим данным базальтовый слой в пределах СССР здесь находится ближе всего к поверхности литосферы. Выше залегают породы со скоростями продольных волн 6,0-6,5 км/с – гранитный слой.
Рис.4.5 Кольская сверхглубокая скважина
Реальный вскрытый Кольской сверхглубокой скважиной разрез оказался совершенно другим. До глубины 6842 м распространены песчаники и туфы базальтового состава с телами долеритов (скрытокристаллических базальтов), а ниже – гнейсы, гранито-гнейсы, реже – амфиболиты. Самое же главное в результатах бурения Кольской сверхглубокой скважины, единственной из пробуренных на Земле глубже 12 км, то, что они не просто опровергли общепринятое представление о строении верхней части литосферы, а то, что до их получения вообще нельзя было говорить о вещественном строении этих глубин земного шара. Однако ни в школьных ни в вузовских учебниках по географии и геологии результаты бурения Кольской сверхглубокой скважины не сообщаются, а изложение раздела Литосфера начинается с того, что говорится о ядре, мантии и земной коре, которая на материках сложена гранитным слоем, а ниже – базальтовым.
Атмосфера Земли
Атмосфера Земли — воздушная оболочка Земли, состоящая в основном из газов и различных примесей (пыль, капли воды, кристаллы льда, морские соли, продукты горения), количество которых непостоянно. Атмосфера до высоты 500 км состоит из тропосферы, стратосферы, мезосферы, ионосферы (термосферы), экзосферы (Рис. 4.6)
Рис.4.6 Строение атмосферы до высоты 500 км
Тропосфера — нижний, наиболее изученный слой атмосферы, высотой в полярных областях 8—10 км, в умеренных широтах до 10—12 км, на экваторе — 16—18 км. В тропосфере сосредоточено примерно 80—90% всей массы атмосферы и почти все водяные пары. При подъёме через каждые 100 м температура в тропосфере понижается в среднем на 0,65° и достигает 220 К (−53°C) в верхней части. Этот верхний слой тропосферы называют тропопаузой.
Стратосфера — слой атмосферы, располагающийся на высоте от 11 до 50 км. Характерно незначительное изменение температуры в слое 11—25 км (нижний слой стратосферы) и повышение её в слое 25—40 км от −56,5 до 0,8°С (верхний слой стратосферы или область инверсии). Достигнув на высоте около 40 км значения около 273 К (около 0°С), температура остаётся постоянной до высоты около 55 км. Эта область постоянной температуры называется стратопаузой и является границей между стратосферой и мезосферой. Именно в стратосфере располагается слой озоносферы («озоновый слой») (на высоте от 15—20 до 55—60 км), который определяет верхний предел жизни в биосфере. Важный компонент стратосферы и мезосферы — О3, образующийся в результате фотохимических реакций наиболее интенсивно на высоте ~ 30 км. Общая масса О3 составила бы при нормальном давлении слой толщиной 1,7—4,0 мм, но и этого достаточно для поглощения губительного для жизни УФ-излучения Солнца. Разрушение О3 происходит при его взаимодействии со свободными радикалами, NO, галогенсодержащими соединениями (в т. ч. «фреонами»). В стратосфере задерживается большая часть коротковолновой части ультрафиолетового излучения (180—200 нм) и происходит трансформация энергии коротких волн. Под влиянием этих лучей изменяются магнитные поля, распадаются молекулы, происходит ионизация, новообразование газов и других химических соединений. Эти процессы можно наблюдать в виде северных сияний, зарниц, и др. свечений. В стратосфере и более высоких слоях под воздействия солнечной радиации молекулы газов диссоциируют — на атомы (выше 80 км диссоциируют СО2 и Н2, выше 150 км — О2, выше 300 км — Н2). На высоте 100—400 км в ионосфере происходит также ионизация газов, на высоте 320 км концентрация заряженных частиц (О+2, О−2, N+2) составляет ~ 1/300 от концентрации нейтральных частиц. В верхних слоях атмосферы присутствуют свободные радикалы — ОН•, НО•2 и др. В стратосфере почти нет водяного пара.
Мезосфера начинается на высоте 50 км и простирается до 80—90 км. Температура воздуха до высоты 75—85 км понижается до −88°С. Верхней границей мезосферы является мезопауза.
Термосфера (другое название — ионосфера) — слой атмосферы, следующий за мезосферой, — начинается на высоте 80—90 км и простирается до 800 км. Температура воздуха в термосфере быстро и неуклонно возрастает и достигает нескольких сотен и даже тысяч градусов.
Экзосфера — зона рассеяния, внешняя часть термосферы, расположенная выше 800 км. Газ в экзосфере сильно разрежен, и отсюда идёт утечка его частиц в межпланетное пространство
Концентрации газов, составляющих атмосферу, в приземном слое практически постоянны, за исключением воды (H2O) и углекислого газа (CO2). Изменение химического состава атмосферы в зависимости от высоты приведено на рис.4.7.
Изменение давления и температуры слоя атмосферы до высоты 35 км приведено на рис.4.8.
Рис.4.7 Изменение химического состава атмосферы в количестве атомов газа в 1 см3 по высоте.
Состав приземного слоя атмосферы приведен в таблице 4.1:
Таблица 4.1
| Состав воздуха | ||
| Газ | Содержание по объёму, % | Содержание по массе, % |
| Азот | 78,084 | 75,50 |
| Кислород | 20,946 | 23,10 |
| Аргон | 0,932 | 1,286 |
| Вода | 0,5—4 | — |
| Углекислый газ | 0,032 | 0,046 |
| Неон | 1,818×10−3 | 1,3×10−3 |
| Гелий | 4,6×10−4 | 7,2×10−5 |
| Метан | 1,7×10−4 | — |
| Криптон | 1,14×10−4 | 2,9×10−4 |
| Водород | 5×10−5 | 7,6×10−5 |
Кроме указанных в таблице газов, в атмосфере содержатся SО2, СН4, NН3, СО, углеводороды, НСl, НF, пары Нg, I2, а также NO и многие другие газы в незначительных количествах.
Рис.4.8 Изменение давления и температуры слоя атмосферы до высоты 35 км
Первичная атмосфера Земли была схожа с атмосферой других планет. Так, 89% атмосферы Юпитера приходится на водород. Еще примерно 10% на гелий, оставшиеся доли процента занимает метан, аммиак и этан. Есть и «снег» — как из водяного, так и из аммиачного льда.
Атмосфера Сатурна также состоит в основном из гелия, водорода (Рис.4.9)
Рис.4.9 Атмосфера Сатурна
История образования атмосферы Земли
1. Первоначально она состояла из лёгких газов (водорода и гелия), захваченных из межпланетного пространства. Это так называемая первичная атмосфера.
2. Активная вулканическая деятельность привела к насыщению атмосферы и другими газами, кроме водорода (углеводородами, аммиаком, водяным паром). Так образовалась вторичная атмосфера.
3. Постоянная утечка водорода в межпланетное пространство, химические реакции, происходящие в атмосфере под влиянием ультрафиолетового излучения, грозовых разрядов и некоторых других факторов привели к образованию третичной атмосферы.
4. С появлением на Земле живых организмов в результате фотосинтеза, сопровождающегося выделением кислорода и поглощением углекислого газа, состав атмосферы начал меняться и постепенно образовал современную четвертичную атмосферу (Рис.4.10). Существуют, однако, данные (анализ изотопного состава кислорода атмосферы и выделяющегося при фотосинтезе), свидетельствующие в пользу геологического происхождения атмосферного кислорода. Образованию кислорода из воды способствуют радиационные и фотохимические реакции. Однако их вклад незначителен. В течение различных эр состав атмосферы и содержание кислорода претерпевало весьма значительные изменения. Оно коррелировано с глобальными вымираниями, оледенениями, и другими глобальными процессами. Установление его равновесия стало, видимо, результатом появления гетеротрофных организмов на земле и в океане и вулканической деятельности.
Рис.4.10 Атмосфера Земли в разные периоды
Вопреки широко распространённому заблуждению, содержание в атмосфере кислорода и азота практически не зависит от лесов. Принципиально лес не может существенно повлиять на содержание СО2 в атмосфере потому, что он не накапливает углерод. Подавляющая часть углерода возвращается в атмосферу в результате окисления павших листьев и деревьев. Здоровый лес находится в равновесии с атмосферой и отдаёт ровно столько же сколько и берет на процесс «дыхания». Причем тропические леса чаще поглощают, а тайга «слегка» выделяет кислород. В 1990-x годах были проведены эксперименты по созданию замкнутой экологической системы («Биосфера 2»), в ходе которых не удалось создать стабильную систему, обладающую единым составом воздуха. Влияние микроорганизмов привело к снижению уровня кислорода до 15% и увеличению количества углекислого газа.
За последние 100 лет содержание СО2 в атмосфере возросло на 10%, причём основная часть (360 млрд. т) поступила в результате сжигания топлива (Рис.4.11). Если темпы роста сжигания топлива сохранятся то в
Рис.4.11 Ход повышения концентрации углекислого газа и средней температуры в последние годы.
ближайшие 50—60 лет, то количество СО2 в атмосфере удвоится и может привести к глобальным изменениям климата.
Принцип возникновения парникового эффекта поясняется рисунком 4.12.
Рис. 4.12 Принципы возникновения парникового эффекта
Озоновый слой располагается в стратосфере на высотах от15 до 35 км (Рис.4.13):
Рис.4.13 Строение озонового слоя
За последние годы концентрация озона в стратосфере резко упала, что приводит к повышению УФ фона на Земле, особенно в районе Антарктики(Рис.4.14).
Рис.4.14 Изменения озонового слоя над Антарктикой
Гидросфера
Гидросфе́ра (греч. Hydor - вода + Sphaira - шар) — совокупность всех водных запасов Земли, прерывистая водная оболочка земного шара, расположенная на поверхности и в толще земной коры и представляющая совокупность океанов, морей и водных объектов суши.
3\4 поверхности Земли занимают океаны, моря, водоемы, ледники. Количество воды в океане непостоянно и с течением времени меняется от различных факторов. Колебания уровня составляют в различные периоды существования Земли до 150 метров. Подземные воды являются связующим звеном всей гидросферы. Учитываются только подземные воды, залегающие на глубинах до 5 км. Они замыкают геологический круговорот воды. Их количество оценивается объемом 105 тыс. куб км или около 7% всей гидросферы.
Льды и снега по количеству являются одной из самых важных составляющих гидросферы. Масса воды в ледниках составляет 2,6х107 млрд тонн.
Почвенные воды играют огромную роль в биосфере, т.к. именно из-за воды в почве протекают биохимические процессы, обеспечивающие плодородность почвы. Масса почвенных вод оценивается 8х103 млрд тонн.
Реки имеют наименьшее количество воды в биосфере. Запасы воды в реках оцениваются в 1-2х103 млрд тонн. Речные воды обычно пресные, их минерализация неустойчива и меняется от времени года. Реки текут по тектонически-образованным понижениям рельефа.
Атмосферная вода объединяет гидросферу и атмосферу. Атмосферная влага всегда пресная. Масса атмосферной воды 14х103 млрд тонн. Ее значение для биосферы очень велико. Среднее время оборота воды между гидросферой и атмосферой составляет 9-10 суток.
Значительная часть воды находится в биосфере в связанном состоянии в живых организмах – 1,1х103 млрд тонн. В водной среде растения непрерывно фильтруют воду через свою поверхность. На суше растения извлекают воду корнями из почвы и транспирируют ее своей наземной частью. Для синтеза 1 грамма биомассы растения должны испарять около 100 грамм воды (Планктон профильтровывает через себя всю воду океанов за время около 1 года).
Соотношение соленой и пресной воды в гидросфере приведено на рис. 4.15
Рис.4.15 Соотношение соленой и пресной воды в гидросфере
Большая часть воды сосредоточена в океане, значительно меньше — в континентальной речной сети и подземных водах. Также большие запасы воды имеются в атмосфере, в виде облаков и водяного пара. Свыше 96% объема гидросферы составляют моря и океаны, около 2% — подземные воды, около 2% — льды и снега, около 0,02% — поверхностные воды суши. Часть воды находится в твёрдом состоянии в виде ледников, снежного покрова и в вечной мерзлоте, представляя собой криосферу. Поверхностные воды, занимая сравнительно малую долю в общей массе гидросферы, тем не менее играют важнейшую роль в жизни нашей планеты, являясь основным источником водоснабжения, орошения и обводнения. Воды гидросферы находятся в постоянном взаимодействии с атмосферой, земной корой и биосферой. Взаимодействие этих вод и взаимные переходы из одних видов вод в другие составляют сложный круговорот воды на земном шаре. В гидросфере впервые зародилась жизнь на Земле. Лишь в начале палеозойской эры началось постепенное переселение животных и растительных организмов на сушу.
Одной из самых главных функций гидросферы является запасание тепла, приводящее к глобальному круговороту воды в биосфере. Нагрев поверхностных вод Солнцем (Рис. 4.16) приводит к перераспределению тепла по всей планете.
Рис.4.16 Температура поверхностных океанических вод
Жизнь в гидросфере распределена крайне неравномерно. Значительная часть гидросферы имеет слабую заселенность организмами. Особенно это касается океанических глубин, где мало света и сравнительно низкие температуры.
Основные поверхностные течения:
В северной части Тихого океана: тёплые - Куросио, Северо-Тихоокеанское и Аляскинское; холодные - Калифорнийское и Курильское. В южной части: тёплые - Южно-Пассатное и Восточно-Австралийское; холодные - Западных Ветров и Перуанское (Рис.4.17). Течения северной части Атлантического океана тесно согласованы с течениями Северного Ледовитого океана. В центральной Атлантике вода нагревается и перемещается течением Гольфстрим к северу, где вода остывает и погружается в глубину Северного Ледовитого океана.