Биосфера

Литосфера — твердая оболочка Земли

Литосфера, иногда называемая геосферой, относится ко всем горным породам Земли. Она включает земную кору и верхнюю часть мантии. Выше, литосфера ограничена атмосферой, а ниже — астеносферой (слоем в верхней мантии Земли). Валуны горы Эверест, песок на пляжах Майами и лава, извергающаяся с горы Килауэа на Гавайях, являются примерами компонентов литосферы.

Литосфера является самой твердой сферой нашей планеты. Ее фактическая толщина может варьироваться от примерно 40 км до 280 км. Литосфера заканчивается в момент, когда минералы земной коры становятся вязкими и жидкими. Точная глубина, при которой это происходит, зависит от химического состава горной породы, а также от температуры и давления.

Существует два типа литосферы: океаническая литосфера и континентальная литосфера. Океаническая связана с океанической корой и немного плотнее континентальной литосферы. Континентальная литосфера, связанная с континентальной корой, может быть намного толще, чем океаническая, простираясь на 200 км ниже поверхности Земли.

Наиболее известной особенностью, связанной с литосферой Земли, является тектоническая активность, которая описывает взаимодействие огромных плит литосферы, называемых тектоническими плитами.

Литосфера разделена на тектонические плиты, которые соединяются между собой как зазубренная головоломка. Эти плиты не имеют постоянного расположения; они медленно двигаются. Большая часть тектонической активности происходит на границах этих плит, где они могут сталкиваться, разрываться или пододвигаться друг под друга. Движение тектонических плит стало возможным благодаря тепловой энергии от мантийной части литосферы. Тепловая энергия делает твердую литосферу более эластичной.

Тектоническая активность отвечает за некоторые из самых драматических геологических событий Земли: землетрясения, вулканы, орогенез (горообразование) и глубокие океанические впадины, которые образовались в результате тектонической активности в литосфере.

Значение биосферы в природе

Значение биосферы как глобальной экосистемы планеты трудно переоценить. Исходя из функций оболочки всего живого, можно осознать ее значимость:

• Энергетическая. Растения являются посредниками между Солнцем и Землей, и, получая энергию, часть ее распространяется между всеми элементами биосферы, а часть используется для образования биогенного вещества.
• Газовая. Регулирует количество разных газов в биосфере, их распределение, превращение и миграцию.
• Концентрационная. Все существа выборочно извлекают биогенные компоненты, поэтому они могут быть как полезными, так и опасными.
• Деструктивная. Это разрушение минералов и горных пород, органических веществ, что способствует новому обороту элементов в природе, в ходе чего появляются новые живые и неживые вещества.
• Средообразующая. Влияет на условия окружающей среды, состав атмосферных газов, пород осадочного происхождения и земельного слоя, качество водной среды, а также на баланс веществ на планете.

Долгое время роль биосферы была недооцененной, так как в сравнении с иными сферами масса живого вещества на планете очень мала. Несмотря на это, живые существа являются могучей силой природы, без которой были бы невозможны многие процессы, а также сама жизнь. В процессе деятельности живых существ, их взаимосвязей между собой, влияния на неживую материю, формируется сам мир природы и облик планеты.

Основные свойства биосферы

q Биосфера – централизованная система. Центральным звеном её выступают живые организмы (живое вещество). К сожалению, в настоящее время в центр биосферы или её звеньев ставится только один вид – человек (антропоцентризм

).

q Биосфера – открытая система. Её существование немыслимо без поступления энергии извне. Она испытывает воздействие космических сил, прежде всего, солнечной активности.

Всё больше накапливается данных, свидетельствующих, что периодическое резкое увеличение численности отдельных видов или популяций («волны жизни») – результат изменения солнечной активности. Считают, что от солнечной активности зависят многие геологические процессы (катаклизмы, катастрофы) и даже социальная активность человеческого общества или отдельных его этносов.

q Биосфера – саморегулирующаяся система, для которой характерна организованность. В настоящее время это свойство называют ГОМЕОСТА-ЗОМ, понимая под ним способность возвращаться в исходное состояние, гасить возникающие возмущения включением ряда механизмов. В основе гомеостаза биосферы лежит принцип Ле Шателье-Брауна: при действии на систему сил, выводящих её из состояния устойчивого равновесия, последнее (равновесие) смещается в том направлении, при котором эффект этого воздействия ослабляется.

Опасность современной экологической ситуации связана, прежде всего, с тем, что нарушаются многие механизмы гомеостаза и принцип Ле Шателье-Брауна, если не в планетарном, то в крупных региональных планах. Их следствие – региональные кризисы. В стадию глобального кризиса биосфера, к счастью, ещё, по-ви-димому, не вступила. Но отдельные крупные возмущения она уже гасить не в силах. Результатом этого является либо распад экосистем (например, расширяющиеся площади опустыненных земель), либо появление неустойчивых, практически лишённых свойств гомеостаза систем типа урбанизированных (городских) комплексов. Человечеству, к сожалению, отпущен крайне малый промежуток времени для недопущения глобального экологического кризиса и следующих за ним экологической катастрофы и коллапса (полного и необратимого распада системы).

q Биосфера – система, характеризующаяся большим разнообразием.Это и разные среды жизни (водная, наземно-воздушная, почвенная, организменная); и разнообразие природных зон, различающихся по климатическим, гидрологическим, почвенным, биотическим и др. свойствам; и наличие регионов, различающихся по химическому составу (геохимические провинции); и, самое главное, объединение в рамках биосферы большого количества элементарных экосистем со свойственным им видовым разнообразием.

В настоящее время описано около 2 млн. видов (примерно 1,5 млн. животных и 0,5 млн. растений), но, полагают, однако, что число видов на Земле в 2-3 раза больше, чем их описано. Для любой природной системы разнообразие – одно из важнейших её свойств. С ним связана возможность дублирования, подстраховки, замены одних звеньев другими (например, на видовом или популяционном уровнях), степень сложности и прочности пищевых и других связей. Поэтому разнообразие есть основное условие устойчивости любой экосистемы и биосферы в целом (закон У. Эшби).

К сожалению, практически вся без исключения деятельность человека подчинена упрощению экосистем любого ранга. Сюда следует отнести и уничтожение отдельных видов или резкое уменьшение их численности, и создание агроценозов (т.е. упрощённых агросистем) на месте сложных природных систем. Например, полностью исчезли с лица земли степи как тип экосистем и ландшафтов (распаханы!), резко уменьшились площади лесов (до появления человека они составляли 70% суши, а сейчас – не более 20-30%). В настоящее время идёт дальнейшее, невиданное по масштабам, уничтожение лесных экосистем, особенно наиболее ценных и сложных – тропических, спрямление русел рек, создание промышленных районов и т. п.

Экологическое разнообразие отнесено Конференцией ООН по окружающей среде и развитию (1992 г.) к числу трёх важнейших экологических проблем: сохранение биологического разнообразия, сохранение лесов и предотвращение изменений климата.

q Биосфера – система механизмов, обеспечивающих круговорот веществ и, связанную с ним, неисчерпаемость отдельных химических элементов и их соединений. При отсутствии круговорота, например, за короткое время был бы исчерпан основной «строительный материал» живого – углерод, который практически единственный способен образовывать межэлементные связи и создавать огромное количество органических соединений. Только благодаря круговоротам обеспечивается непрерывность процессов в биосфере.

13.1. Биосфера как оболочка Земли

Кроме биосферы Зюсс выделил еще три оболочки – атмосферу, гидросферу и литосферу.

Атмосфера – самая наружная газообразная оболочка Земли, она простирается до высоты 100 км. Основные составляющие атмосферы – азот (78%), кислород (20,95%), аргон (0,93%), диоксид углерода (0,03%). Атмосфера является отчасти продуктом жизнедеятельности организмов, так как кислород атмосферы – это результат деятельности фотосинтезирующих организмов – цианобактерий и растений. На высоте 20‑45 км расположен озоновый слой, содержание озона в нем примерно в 10 раз выше, чем в атмосфере у поверхности Земли. Этот слой защищает поверхность планеты от избытка ультрафиолетовых лучей, неблагоприятно влияющих на живые организмы.

Между атмосферой и земной поверхностью происходит постоянный обмен теплом, влагой и химическими элементами.

На состояние атмосферы влияет хозяйственная деятельность человека, благодаря которой в ней появились метан, оксиды азота и другие газы, вызывающие атмосферные процессы – парниковый эффект, разрушение озонового слоя, кислые дожди, смог.

Гидросфера оказывается не сплошной оболочкой: моря и океаны покрывают Землю только на 2/3, остальное занято сушей. На суше гидросфера представлена фрагментарно – озерами, реками, грунтовыми водами (табл. 13).

Таблица 13 Распределение водных масс в гидросфере Земли (по Львовичу, 1986)

Гидросфера на 94% представлена солеными водами океанов и морей, а вклад рек в водный бюджет планеты в 10 раз меньше, чем количество водных паров в атмосфере. Три четверти пресной воды недоступны организмам, так как законсервированы в ледниках гор и полярных шапках Арктики и Антарктиды.

Гидросфера испытывает все возрастающее влияние хозяйственной деятельности человека, которая ведет к нарушению рассматриваемого ниже биосферного круговорота воды (ускорение процесса таяния ледников, уменьшение количества жидкой пресной воды и увеличение парообразной воды в результате испарений мелиорированных агроэкосистем.

Литосфера – это верхняя твердая оболочка Земли, мощность которой составляет 50‑200 км. Верхний слой литосферы называется земной корой. Вещества, слагающие литосферу, частично образованы за счет деятельности организмов, и это не только торф, каменный уголь, горючие сланцы, но и куда более распространенный карбонат кальция, образовавшийся из моллюсков и других морских животных. Совершенно особую среду представляет собой почва (см. 2.6), находящаяся на границе литосферы и атмосферы.

В настоящее время на литосферу оказывает сильнейшее техногенное влияние человек, особенно за счет развития процессов эрозии, увеличения твердого стока, сжигания ископаемого топлива и создания инженерных сооружений. Искусственные (техногенные) грунты уже покрывают более 55% площади суши Земли, а в ряде урбанизированных районов (Европа, Япония, Гонконг и др.) они покрывают 95‑100% территории и их мощность достигает нескольких десятков метров. Суммарная площадь, покрытая всеми видами инженерных сооружений (здания, дороги, водохранилища, каналы и т.п.) в 2000 г. достигла 1/6 площади суши.

Биосфера охватывает всю гидросферу, часть атмосферы и часть литосферы. Ее верхняя граница расположена на высоте 6 км над уровнем моря, нижняя – на глубине 15 км в толще земной коры (на такой глубине обитают бактерии в нефтяных водах) и 11 км в океане. По сравнению с диаметром Земли (13000 км) биосфера – это тонкая пленка на ее поверхности. Однако основная жизнь в биосфере сконцентрирована в значительно более узких пределах, охватывающих всего несколько десятков метров на континентах, в атмосфере и в океане (табл. 14).

Таблица 14 Структура биомассы биосферы (сухое вещество)

В биосфере происходит круговорот всех веществ, т.е. их многократное участие в процессах синтеза и разрушения органического вещества. В круговоротах в той или иной степени участвуют практически все химические элементы, однако наиболее важными для биосферы являются круговороты воды, кислорода, углерода, азота, фосфора.

Контрольные вопросы

1. С именами каких ученых связано рождение и развитие представления о биосфере?

2. Назовите оболочки Земли, которые выделил Э. Зюсс.

3. Расскажите о составе атмосферы.

4. Какова структура гидросферы?

5. Охарактеризуйте масштаб техногенных нарушений литосферы человеком.

6. Назовите верхнюю и нижнюю границы биосферы.

Почва

Почва – это верхний слой земной коры, покрытый растительностью и обладающий естественным плодородием.

На формирование почвы оказывают влияние различные факторы: состав пород, климат, наличие подземных и поверхностных вод, растительность и животные.

1. Почвообразующие породы определяют тип почвы. В районах с песчаными породами формируются песчаные почвы, которые характеризуются сыпучестью, большим количеством кислорода, однако имеет недостаток других веществ. Такой вид почвы как песчаная, очень быстро пересыхает. Поэтому на песчаной почве растут определенные растения, к примеру, сосна, тимьян, вереск, то есть хорошо переносящие засуху.

Песчаная почва

На участках с преобладанием глины, формируются различные виды глинистой почвы. Для данного типа почвы характерен застой влаги, недостаток кислорода, при высыхании образуется плотная корка на поверхности. Поэтому глинистая почва считается очень тяжелой для растений. Более благоприятны смешанные типы глинистой почвы, например суглинистая, состоит из песка и глины.

Глинистая почва

Каменистая почва характерна для горных или пустынных районов с россыпями камней.Такие почвы бедны питательными веществами и выживают на каменистых участках только неприхотливые растения. К примеру, различные виды камнеломок, молодило, кактусы.

1. Не менее важным для формирования почвы является климат. Он определяет количество тепла и воды, что способствует развитию плодородности почвы.
2. Живые организмы обеспечивают рыхление почвы, способствуют разложению органических остатков. Все это повышает плодородность почвы.
3. Хозяйственная деятельность человека может положительно влиять на почву, а может и отрицательно. Для достижения высокой плодородности вносят в почву удобрения. Высокое содержание питательных веществ и перегноя делает почву плодородной. Такой тип почв получил название чернозем. Распространены черноземы на юге России в степной природной зоне.

Чернозем

Самыми распространенными в России считаются подзолистые почвы. Они имеют низкое содержание питательных веществ, поэтому для использования в сельском хозяйстве не пригодны. Встретить подзолистые почвы можно в зоне тайги и смешанных лесов.

Подзолистые почвы

У всех типов почв можно выделить одинаковые особенности строения. Присмотревшись внимательно к разрезам почвы, видно, что они состоят из слоев различного цвета. Эти слои получили название горизонты почвы.

Горизонты почвы

Отличаются слои не только по цвету, но и по составу и количеству веществ. По мощности горизонты почвы также различаются. Какой горизонт почвы самый мощный? Это материнская порода, на которой находятся все остальные слои. Примерно таким же считается горизонт вмывания, однако он является плодородным, в отличие от породы. Верхним горизонтом почвы является гумусовый – самый плодородный для растений.

Происхождение биосферы

Биосфера существует уже около 3,5-3,7 миллиарда лет. Первыми формами жизни были прокариоты – одноклеточные живые организмы, которые могли жить без кислорода. Некоторые прокариоты разработали уникальный химический процесс, который известен нам как фотосинтез. Они были в состоянии использовать солнечный свет, чтобы делать простой сахар и кислород из воды и углекислого газа. Эти фотосинтезирующие микроорганизмы были настолько многочисленны, что они кардинально преобразили биосферу. В течение длительного периода времени, сформировалась атмосфера из смеси кислорода и других газов, которая могла поддерживать новую жизнь.

Добавление кислорода в биосферу позволило стремительно развиваться более сложные формам жизни. Появились миллионы различных растений, животные, которые употребляли в пищу растения и других животных. Бактерии эволюционировали, для того, чтобы разлагать мертвых животных и растения.

Благодаря этой пищевой цепи – биосфера сделала огромный скачок в своем развитии. Разложенные останки отмерших растений и животных высвобождали в почву и океан питательные вещества, которые повторно поглощались растениями. Такой обмен энергией позволил биосфере стать самоподдерживающей и саморегулирующейся системой.

Превращение энергии

Биологический круговорот веществ возможен только при постоянном притоке и преобразовании солнечной энергии, поскольку полученная от Солнца энергия связывается в органических веществах и при движении по ступеням пищевой цепи уменьшается (большая ее часть тратится на осуществление процессов жизнедеятельности организмов и рассеивается в виде тепла).

Биосфера — открытая система, постоянно получающая солнечную энергию. В процессе фотосинтеза эта энергия превращается в энергию химических связей органических веществ. Живым веществом Земли ежегодно создается 4,2 * 1017 Дж энергии.

Накопленная энергия частично расходуется растениями в процессах жизнедеятельности, а частично переходит к растительноядным организмам. Эти организмы также используют часть энергии в процессах жизнедеятельности, а оставшаяся ее часть поступает к плотоядным животным и т.д. Таким образом, энергия запасается в тканях растений и животных в виде органических соединений. Запас энергии в биосфере Земли оценивается в 4,2 * 1018 Дж. Часть энергии законсервирована в нефти, угле, сланцах, торфе.

Выделение энергии происходит при разрушении органических веществ в процессах дыхания, брожения и гниения. В настоящее время живым веществом Земли ежегодно выделяется 4,2 • 1017 Дж энергии — столько же, сколько и создается, т.е. в биосфере поддерживается баланс энергии.

Вещественный состав биосферы

Состав биосферы можно рассматривать с различных точек зрения. Если говорить о вещественном составе, то в нее входит семь различных частей:

• Живое вещество – совокупность живых существ, населяющих нашу планету. У них элементарный состав, а в сравнении с остальными оболочками они имеют малую массу, питаются солнечной энергией, распределяя ее в среде обитания. Все организмы составляют мощную геохимическую силу, распространившись по земной поверхности неравномерно.
• Биогенное вещество. Это те минерально-органические и чисто органические компоненты, которые были созданы живыми существами, а именно горючие полезные ископаемые.
• Косное вещество. Это неорганические ресурсы, которые образовываются без участи живых существ, сами по себе, то есть кварцевый песок, различные глины, а также водные ресурсы.
• Биокосное вещество, получаемое благодаря взаимодействию живых и косных компонентов. Это почва и породы осадочного происхождения, атмосфера, реки, озера и другие поверхностные акватории.
• Радиоактивные вещества, такие как элементы урана, радия, тория.
• Рассеянные атомы. Они образуются из веществ земного происхождения, когда на них влияет космическое излучение.
• Космическое вещество. На землю попадает тела и вещества, образованные в космическом пространстве. Это могут быть как метеориты, так и осколки с космической пылью

Значение биосферы

Биосферу изучали разные ученые во все исторические эпохи. Этой оболочке много внимания уделял В.И. Вернадский. Он считал, что биосфера определяется границами, в которых обитает живое вещество. Стоит отметить, что все ее компоненты связаны между собой, и изменения в одной сфере приведет к изменениям во всех оболочках. Биосфера играет важнейшую роль в распределении энергетических потоков планеты.

Таким образом, биосфера – это жизненное пространство людей, животных и растений. В ней содержатся важнейшие вещества и природные ресурсы, такие как вода, кислород, земля и другие. На нее значительное влияние оказывают люди. В биосфере происходит круговорот элементов природе, кипит жизнь и осуществляются важнейшие процессы.

Границы биосферы

Каждую часть планеты, от полярных льдов до экватора, населяют живые организмы. Последние достижения в области микробиологии показали, что микроорганизмы обитают глубоко под земной поверхностью и возможно их общая биомасса превышает биомассу всего животного и растительного мира на поверхности Земли.

В настоящее время фактические границы биосферы измерить невозможно. Как правило, большинство видов птицы летают на высотах 650 — 1800 метров, а рыбы были обнаружены на глубине — до 8372 метров в океаническом Жёлобе Пуэрто-Рико. Но также есть более экстремальные примеры жизни на планете. Африканский сип, или гриф Рюппеля был замечен на высоте более 11000 метров, горные гуси обычно мигрируют на высоте не менее 8300 метров, дикие яки обитают в горных районах Тибета на высоте около 3200 — 5400 метров над уровнем моря, а горные козлы живут на высотах до 3000 метров.

Микроскопические организмы способны жить в более экстремальных условиях и если брать их во внимания, то толщина биосферы намного больше, чем мы себе представляли. Некоторые микроорганизмы были обнаружены в верхних слоях атмосферы Земли на высоте 41 км. Вряд ли микробы являются активными на таких высотах, где температура и давление воздуха являются чрезвычайно незначительными, а ультрафиолетовое излучение очень интенсивным. Скорее всего, они были доставлены в верхние слои атмосферы ветрами или извержением вулканов. Также одноклеточные формы жизни были найдены в самой глубокой части Марианской впадины на глубине 11034 метров.

Несмотря на все вышеперечисленные примеры крайностей существования жизни, в общем слой биосферы Земли настолько тонкий, что его можно сравнить с кожурой яблока.

Оболочки Земли

Жизнь на нашей планете зародилась благодаря сочетанию многих факторов. Земля находится на благоприятном расстоянии от Солнца — не слишком сильно нагревается днём и не переохлаждается в ночное время. Земля имеет твёрдую поверхность, и на ней существует вода в жидком состоянии. Воздушная оболочка, окружающая Землю, предохраняет её от жёсткого космического излучения и «бомбардировки» метеоритами. Наша планета обладает уникальными особенностями — её поверхность опоясывают, взаимодействуя между собой, несколько оболочек: твёрдая, воздушная и водная.

Воздушная оболочка — атмосфера простирается над Землёй до высоты 2-3 тыс. км, но большая часть её массы сосредоточена у поверхности планеты. Атмосфера удерживается силой притяжения Земли, поэтому с высотой её плотность уменьшается. Атмосфера содержит кислород, необходимый для дыхания живых организмов. В атмосфере находится слой озона, так называемый защитный экран, который поглощает часть ультрафиолетовой радиации Солнца и защищает Землю от избыточных ультрафиолетовых лучей. Далеко не у всех планет Солнечной системы есть твёрдая оболочка: например, поверхности планет-гигантов — Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна состоят из газов, находящихся в жидком или твёрдом состоянии из-за высокого давления и низких температур. Твёрдая оболочка Земли, или литосфера, — это огромные массы горных пород на суше и на дне океана. Под океанами и материками она имеет разную толщину — от 70 до 250 км. Литосфера разделена на крупные блоки — литосферные плиты.

Водная оболочка нашей планеты — гидросфера включает в себя всю воду планеты — в твёрдом, жидком и газообразном состоянии. Гидросфера — это моря и океаны, реки и озёра, подземные воды, болота, ледники, водяной пар в воздухе и вода в живых организмах. Водная оболочка перераспределяет тепло, поступающее от Солнца. Медленно нагреваясь, водные толщи Мирового океана накапливают тепло, а потом передают его атмосфере, что смягчает климат на материках в холодные периоды. Вовлечённая в мировой круговорот, вода постоянно перемещается: испаряясь с поверхностей морей, океанов, озёр или рек, она облаками переносится на сушу и выпадает в виде дождя или снега.

Оболочка Земли, в которой существует жизнь во всех её проявлениях, называется биосфера. Она включает самую верхнюю часть литосферы, гидросферу и приземную часть атмосферы. Нижняя граница биосферы располагается в земной коре материков на глубине 4-5 км, а в воздушной оболочке сфера жизни простирается до озонового слоя.

Все оболочки Земли влияют друг на друга. Основным объектом изучения географии является географическая оболочка — планетарная сфера, где переплетаются и тесно взаимодействуют нижняя часть атмосферы, гидросфера, биосфера и верхняя часть литосферы. Географическая оболочка развивается согласно суточным и годовым ритмам, на неё оказывают влияние одиннадцатилетние циклы солнечной активности, поэтому характерной особенностью географической оболочки является ритмичность происходящих процессов.

Географическая оболочка изменяется от экватора к полюсам и от подножий к вершинам гор, ей присущи основные закономерности: целостность, единство всех компонентов, непрерывность и неоднородность.

Бурное развитие человеческой цивилизации привело к появлению оболочки, в которой человек активно воздействует на природу. Эта оболочка называется ноосфера, или сфера разума. Порой люди изменяют поверхность планеты даже активнее, чем некоторые естественные природные процессы. Грубое вмешательство в природу, пренебрежение её законами может привести к тому, что со временем условия на нашей планете станут неприемлемыми для жизни.

Значение биосферы для нашей планеты

Жизнь на нашей планете многочисленна и разнообразна. Своим существованием она обязана биооболочке, в пределах которой сложились уникальные условия для углеродных форм органики. В рамках глобальной экосистемы биология формирует геологическую среду.

Среди представителей биологических видов есть растения, животные, грибы, микроорганизмы и человек.

Значение биосферы для Земли неоценимо. В этой среде организмы постоянно взаимодействуют с отходами жизнедеятельности, неорганической материей, энергией Солнца. Возникает пищевая цепочка, которая создает ряд условий в пределах оболочки:

• атмосфера наполняется пригодными для дыхания газами в процессе фотосинтеза (поглощение углекислого газа, выделение кислорода);
• формируется рельеф планеты (осадочные породы);
• развивается видовое разнообразие.

Основное значение экосистемы для нашей планеты – непрерывное продолжение жизни, где конец одного жизненного цикла формирует питательную среду для следующего поколения. В органических структурах происходит циклическое накопление, а затем преобразование солнечной энергии. Это биологический круговорот, который создает условия, пригодные для развития растений, животных, других биологических видов.