WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 |   ...   | 2 | 3 || 5 | 6 |   ...   | 10 |

«н.и. николайкин Высшее образование Н.Е. НИКОЛАЙКИНА э О.П. МЕЛЕХОВА ...»

-- [ Страница 4 ] --

Область УФИ-А. Эта область примыкает к «фиолетовому концу» области видимого света, имеет незначительный отри­ цательный эффект, но положительно воздействует на все жи­ вое. Под его действием в кожном покрове вырабатывается ви­ тамин D, играющий ключевую роль в кальциевом обмене орга­ низма человека. Недостаток этого витамина — причина детского рахита и старческой ломкости костей. Загар и пиг­ ментация кожи также связаны с излучением этого диапазона.

Область УФИ-В. При малых дозах облучения она также способствует загару, активизирует обмен веществ, улучшает общее состояние человека;

однако при больших дозах (особен­ но при пиках X = 297, 240—260 нм) вызывает тяжелые послед­ ствия — солнечные ожоги и ряд иных расстройств вплоть до фотоканцерогенеза — возникновения злокачественных ново­ образований в коже (меланомы и саркомы).

Область УФИ-С. Ультрафиолетовое излучение в этой об­ ласти особенно вредно. Оно активно воздействует на нуклеино­ вые кислоты и белки, умерщвляет живые клетки, обладает выраженным бактерицидным действием.

В спектре солнечного света, достигающего поверхности Земли, наряду с видимым светом и инфракрасным излучением присутствует только УФИ-А и сильно ослабленное УФИ-В. Из­ лучение в диапазоне УФИ-В задерживается озоном, в диапа­ зоне УФИ-С — кислородом, а в диапазоне дальнего УФИ — и иными газами. Происходит это следующим образом.

Одним из важнейших процессов, протекающих в верхних слоях атмосферы, является диссоциация 0 2 с образованием атомарного кислорода:

0 2 + hv -> О + О Такая реакция требует много энергии, ибо энергия связи кислород—кислород в молекуле составляет 498 кДж/моль.

Получение необходимого количества энергии возможно либо Дальнее (жесткое) УФИ является сильным мутагенным фактором для живого, так к а к воздействует непосредственно на нуклеиновые кис­ лоты и косвенно на белки.

7.2. Геосферные оболочки Земли за счет ультрафиолетового из­ лучения, либо в дуге электри­ ческого разряда. Вследствие этой реакции в атмосфере, на­ чиная с высоты 100 км, кис­ лород находится как в моле­ кулярной, так и в атомарной формах (рис. 7.6).

На высоте около 130 км содержание 0 2 и О одинако­ во, а на высотах более 200 км присутствует практически только атомарный кислород. Со, % Поступающая из космоса Рис. 7.6. Распределение кислорода радиация проходит через верх­ в молекулярной и атомарной фор­ ние слои атмосферы, встре­ мах по высоте атмосферы чает присутствующие там га­ (по Ю. И. Скурлатову, Г. Г. Дуке, зы, и наиболее коротковолно­ А. Мизити) вая часть излучения вызывает их ионизацию, описываемую уравнениями:

Таким образом, в процессе приближения к поверхности Земли до расстояния 90 км большая часть коротковолнового излучения оказывается поглощенной, однако излучение, спо­ собное вызвать диссоциацию молекулярного кислорода 0 2, ос­ тается еще достаточно интенсивным. На высотах 30—50 км взаимодействие атомарного кислорода с молекулярным приво­ дит к образованию озона:

На меньших высотах скорость образования озона О э увели­ чивается пропорционально соотношению концентраций газов и уменьшается из-за поглощения света с X < 240 нм, что опре­ деляет наличие максимума содержания озона на высотах око­ ло 25 км (рис. 7.7).

М — «третье» тело (еще одна молекула 0 2, N 2, аэрозоли и др.), ста­ билизирующее синтезирующийся 0 3, снимая с него избыточную энер­ гию. Подробнее смотри специальную литературу.

216 Глава 7. БИОСФЕРА 20 40 80 Н, км Рис. 7.7. Распределение озона в атмосфере В стратосфере озон наряду с прочими процессами поглоща­ ет солнечное излучение с X < ИЗО нм, а излучение с X < 320 нм разлагает его наиболее интенсивно:

0 3 + hv (< 320 нм) -> 0 2 + О Иными атмосферными газами излучение этого диапазона поглощается менее интенсивно.

Общее количество озона в атмосфере оценивается всего в 3,3 • 10 9 т. Если бы удалось собрать весь озон атмосферы около поверхности Земли при нормальном давлении (760 мм рт. ст.) и температуре (+20 °С), то получился бы слой (сферическая оболочка) толщиной всего 2,5—3 мм. Такова распространен­ ная теоретическая модель, вызывающая, к сожалению, невер­ ное представление о строении «защитного экрана» биосферы.

Реально в атмосфере никакого «отдельного» слоя озона нет. Это лишь название достаточно широкой области, где концентрация озона максимальна.

Пик содержания озона приходится на высоты 20—30 км (иногда выделяют диапазон 15—50 км) над уровнем моря (рис. 7.7). Считают, что нижняя граница озоносферы лежит над полюсами на высоте 7—8 км, а над экватором — на высоте 17—18 км. У поверхности Земли, где озон образуется преиму­ щественно во время грозовых разрядов, его средняя концент­ рация почти в 10 раз ниже пиковой.

7.2. Геосферные оболочки Земли 7.2.2.4. Пыле- и газообразные загрязнения в атмосфере Атмосферный воздух нашей планеты также содержит разнообразные загрязнения как естественные (природные), так и искусственные (антропогенные).

К природным источникам относят вулканы, пыльные бу­ ри, космическую пыль. Атмосфера загрязняется продуктами выветривания горных пород, частицами почв, пеплом, солью (в результате разбрызгивания и испарения морской воды), микроорганизмами. Важный источник естественного загряз­ нения — прижизненные выделения растений, животных и микроорганизмов. Естественное загрязнение атмосферы бы­ вает чаще всего периодическим и обычно не токсично.

Большое количество различных газов и паров поступает в атмосферу из действующих вулканов, гейзеров, геотермаль­ ных и других подземных источников. При извержении вулка­ нов выделяются диоксид углерода, сероводород, сернистый газ, соединения фтора и хлора, а при спокойном состоянии — сероводород, метан, диоксид углерода. Общее количество вы­ брасываемых геотермальными источниками оксидов углерода и серы приравнивается к выбросам тепловых электростанций.

Источники антропогенного загрязнения атмосферы — раз­ личные предприятия промышленности, транспорта, энергети­ ки, коммунального хозяйства и т. п. Загрязняющие атмосферу вещества попадают в воздух в результате сжигания топлива непосредственно из бензо- и газохранилищ, при авариях и т. д.

Атмосферные загрязнители делят на п е р в и ч н ы е, пос­ тупающие непосредственно в атмосферу, и в т о р и ч н ы е, являющиеся результатом превращений последних. Так, посту­ пающий в атмосферу оксид серы (IV) (S0 2 ) окисляется до ок­ сида серы (VI) (S0 3 ), который активно взаимодействует с во­ дой, образуя капельки серной кислоты ( H 2 S 0 4 ). Аналогичным образом в результате химических, фотохимических и физи­ ко-химических реакций между первичными загрязнителями и компонентами атмосферы образуются вторичные загряз­ нители.

7.2.2.5. Ионизирующие излучения Экологически значимая характеристика атмосферы — присутствие в ней ионизирующих излучений, мощность кото­ рых меняется в зависимости от географического положения 218 Глава 7. БИОСФЕРА и высоты над уровнем моря (см. разд. 3.1.1). Естественными источниками ионизирующих излучений являются космиче­ ское пространство, а также сосредоточенные в земной коре ра­ диоактивные нуклиды урана, тория и актиния, выделяющие в процессе распада в атмосферу изотопы радона. Половину го­ довой индивидуальной эффективной дозы 1 облучения от зем­ ных источников радиации человек получает от невидимого, не имеющего вкуса и запаха тяжелого газа радона.

В природе радон встречается в двух основных изотопах:

радон-222, член радиоактивного ряда, образуемого продукта­ ми распада урана-238, и радон-220, член радиоактивного ряда тория-232. Радон в 7,5 раз тяжелее воздуха и является аль­ фа-радиоактивным. Период полураспада радона-222 равен 3,8 сут. После а-распада ядро радона превращается в ядро по­ лония. Заканчивается ряд стабильным изотопом свинца.

Основную часть дозы облучения от радона человек получа­ ет, находясь в закрытых, непроветриваемых помещениях. Ро дон 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 конструкци­ онные материалы, используемые в строительстве. К ним в пер­ вую очередь относятся такие материалы, как гранит, пемза, глинозем.

По мере подъема над поверхностью Земли (с удалением от источника) интенсивность облучения ионизирующими излу­ чениями от земных источников постепенно уменьшается.

Другой естественный источник ионизирующего излуче­ ния — космос. Из него на Землю поступают космические лучи, представленные потоками высокоэнергетических протонов (при­ мерно 90%), ядер атомов гелия (около 9%), нейтронов, элект­ ронов и ядер легких элементов (1%). Однако Земля имеет за В соответствии с нормами радиационной безопасности (НРБ-99) до­ за эффективная (эквивалентная) годовая — это количество энергии ионизирующих излучений, поглощенных организмом человека за год, с учетом радиочувствительности к соответствующим видам излучения к а к всего тела, так и его отдельных органов и тканей. Она (доза) равняется сумме эффективной (эквивалентной) дозы внешнего облучения, получен­ ной за календарный год, и ожидаемой эффективной (эквивалентной) дозы внутреннего облучения, обусловленной поступлением радионуклидов внутрь организма за тот же год. Единица измерения в системе СИ — зиверт (Зв). Данное понятие характеризует меру риска возникновения отдаленных последствий облучения человека. До 1996 г. в соответствии с НРБ-76/87 использовалось менее точное понятие — доза эквивалентная.

7.2. Геосферные оболочки Земли щиту от радиационного воздействия, иначе жизнь на ней была бы невозможна. Мощную защиту человека и всей биосферы от космических заряженных частиц радиации создает магнитное поле Земли. Тем не менее часть частиц с высокой энергией пре­ одолевает магнитосферу и достигает верхних слоев атмосферы.

Большинство оставшихся частиц космического излучения сталкивается с атомами азота, кислорода, углерода атмосферы, взаимодействует с их ядрами и рождает вторичное космиче­ ское излучение из протонов, тг-мезонов, ц-мезонов и нейтронов.

В результате образуются радиоактивные изотопы ряда легких элементов — бериллия-7, углерода-14, трития (водорода-3) и др., а при взаимодействии космических лучей с аргоном — кремния-32, серы-35 и других радиоактивных элементов.

Поглощенная доза ионизирующего излучения — это отно­ шение средней энергии, переданной ионизирующим излучением веществу, к массе этого вещества. В системе СИ единица изме­ рения — грей (Гр). 1 Гр = 1 Д ж / к г.

Радиационный фон, создаваемый космическими лучами, составляет половину всего облучения, получаемого человеком от естественных источников радиации. Защититься от такого невидимого «космического душа» невозможно, причем раз­ личные участки поверхности планеты подвергаются его воз­ действию по-разному. Северный и Южный полюсы получают больше космической радиации, чем экваториальные области (так как защитное влияние магнитного поля здесь ослаблено).

По мере подъема интенсивность облучения вследствие воздей­ ствия космического излучения усиливается (рис. 7.8).

" Я, км И 0, 10, ]0, i1 i ', LL-• |,, -*.

0 4 8 Эффективная доза, мкЗв Рис. 7.8. Изменение уровня космического облучения с высотой над уровнем моря (по С. В. Савенко) 220 Глава 7. БИОСФЕРА Антропогенными источниками ионизирующих излучений и ряда долго- и короткоживущих изотопов являются ядерные взрывы, атомная энергетика, включая объекты по переработке и захоронению ее отходов, установки рентгеноскопии в про­ мышленности и медицине, теплоэнергетические устройства, работающие на угле, и др.

7.2.2.6. Ветры Неравномерный нагрев поверхности Земли из-за време­ ни года, облачности, способности водных объектов аккумули­ ровать теплоту и прочие причины ведут к возникновению в тропосфере разнообразных потоков горизонтальной цирку­ ляции воздушных масс (ветры, ураганы, циклоны, муссоны, пассаты и др.).

Главная причина переноса воздушных масс — подъем теп­ лого легкого воздуха (конвекция) и замещение его снизу хо­ лодным. Сильнее всего за день прогреваются тропические об­ ласти, где солнечные лучи падают на Землю почти отвесно.

Воздух вблизи экватора устремляется вверх, приподнимая верхнюю границу тропосферы в тропиках до высоты около 17 км, что вдвое выше, чем у полюсов. Далее на больших высо­ тах воздух растекается от экватора на север и юг (рис. 7.9).

Вертикальные конвекционные потоки переходят в гори­ зонтальные. Теплый воздух в верхней части тропосферы час­ тично охлаждается, отдавая теплоту в космическое простран­ ство. В средних широтах он опускается, компенсируя убыль от конвекционного подъема, и устремляется обратно к экватору.

Такова схема работы «тепловой машины» Земли.

Расчеты на основании приведенной схемы показывают, что время, за которое воздушная масса атмосферы перемеща­ ется на расстояние земного радиуса, составляет около недели.

Неделя — характерное время изменения погоды. Она является границей между краткосрочной переменой погоды и долго­ срочной, связанной с изменениями условий нагревания Зем­ ли. По тем же расчетам средняя скорость воздуха у поверхно­ сти Земли составляет около 10 м/с или 36 км/ч.

На высотах около 10 км, где плотность воздуха в 10 раз меньше, чем у поверхности, ветры дуют со скоростью около 100 м/с или даже нескольких сотен километров в час (от эква­ тора воздушные потоки оттекают со скоростью около 200 м/с).

Однако направлены они не на север и не на юг от экватора.

Из-за в р а щ е н и я З е м л и верхние ветры и в Северном, 7.2. Геосферные оболочки Земли и в Южном полушариях отклоняются и становятся западны­ ми, а нижние ветры, направляющиеся к экватору, приобрета­ ют восточное направление. Такой восточный ветер, преобла­ дающий на океанских просторах тропических широт, называ­ ют пассатом. Следовательно, схема на рис. 7.9 справедлива, но только как проекция направлений ветров на плоскость, прохо­ дящую через центр Земли и перпендикулярную плоскости эк­ ватора.

Конвективный подъем масс воздуха приводит к их попа­ данию в верхние разреженные слои атмосферы, а расширение сопровождается охлаждением. При температурах ниже точ­ ки росы происходит конденсация паров воды, образуются об­ лака. Над тропиками на высоте 17 км воздух охлаждается до -75 °С (самое холодное место тропосферы) и становится очень сухим, так как почти вся его влага остается в облаках на высотах 1—5 км. Путь от экватора до средних широт, где воздух опус­ кается к поверхности Земли, преодолевается очень быстро — приблизительно за сутки, поэтому поток теряет мало энергии.

В результате опустившийся воздух увеличивает свою плотность, нагревается за счет этого и снова имеет температуру около +30 °С, почти такую же, как была у экватора, но при меньшей внутренней энергии из-за значительно меньшей влажности.

Рис. 7.9. Экваториальная конвекция — причина ветров 222 Глава 7. БИОСФЕРА Опускание очень сухого и теплого воздуха происходит на широтах 25—30° в обоих полушариях. Именно там находятся крупнейшие пустыни Земли: Сахара в Африке, Аравийская и Тар в Азии, а также южные пустыни Калахари в Африке и не­ сколько пустынь в Австралии. На Американском континенте пустынь меньше (из-за горной цепи Анды—Кордильеры), но расположены они на тех же широтах.

Воздух опускается сверху и растекается по поверхности с малой скоростью. Соответствующие широты — это область штилей. Они были названы моряками «конскими широтами», ибо во времена парусного флота суда, случалось, месяцами не могли выбраться из них. Жара и жажда были причиной гибе­ ли прежде всего перевозимых морем лошадей.

Почти такое же объяснение пассатов было дано в 1735 г.

английским ученым Дж. Хэдли с той лишь разницей, что он рассматривал атмосферную циркуляцию от экватора до полю­ сов. В честь него тропический круговорот воздуха называют ячейкой Хедли.

Позже, в 1856 г. У. Феррел модифицировал схему Дж. Хэд­ ли, дав объяснение средним направлениям потоков воздуха в полосе широт от 30—40 до 60—70°. Это, в частности, объяс­ нило природу возникновения ураганных западных ветров у поверхности океана в Южном полушарии, известных как «ревущие сороковые». В честь У. Феррела названа ячейка ат­ мосферной циркуляции в средних широтах с обратным на­ правлением потоков (рис. 7.10).

a) 6) Рис. 7.10. Глобальная схема ветров в атмосфере Земли с ячейками циркуляции: а — у поверхности;

б — в верхней части тропосферы 7.2. Геосферные оболочки Земли Наконец, ближе к полюсам циркуляция воздуха проис­ ходит снова в прямом направлении. Подробнее объяснение причин возникновения указанных ячеек и общей схемы цир­ куляции воздуха в атмосфере приведено в специальной лите­ ратуре.

Рассмотренная схема описывает только очень усреднен­ ную картину земных ветров. Фактическая картина сильно от­ личается от нее. Одни отклонения связаны с рельефом суши и разным альбедо 1 суши, моря и их отдельных участков, дру­ гие — с погодой. Кроме того, пока невозможно отделить явле­ ния климата от погодных явлений. Переменчивость и неспо­ койствие — неотъемлемое свойство земной атмосферы. Несмот­ ря на многие исследования, выполненные после Дж. Хэдли, исчерпывающего объяснения общей циркуляции атмосферы не найдено до сих пор.

7.2.2.7. Облака Воздействие облачности на биосферу многообразно. Она влияет на альбедо Земли, переносит воду с поверхности морей и океанов на сушу в виде дождя, снега, града, а также ночью закрывает Землю, как одеялом, уменьшая ее радиационное ох­ лаждение.

Облако, по выражению В. Даля, — это «туман на высоте».

Туман является разновидностью аэрозоля — дисперсной систе­ мы, состоящей из капель жидкости или твердых частиц, нахо­ дящихся во взвешенном состоянии в газовой среде (обычно в воздухе). К аэрозолям относятся также дым, пыль. В атмос­ фере туман представляет собой скопление свободно витающих в воздухе водяных капель или ледяных кристаллов, резко сни­ жающих прозрачность среды.

Облака бывают трех основных видов: слоистые, кучевые, перистые.

Слоистые облака (от лат. stratus — настил, слой). Они об­ разуются при охлаждении малоподвижных воздушных масс, что происходит либо ночью, когда с верхней границы облака тепловое излучение уходит в космос, либо при движении теп Альбедо (от лат. albus — светлый) — коэффициент отражения, с помощью которого измеряется отражательная способность какой-ни­ будь поверхности. В данном случае это отношение количества солнечной энергии, отраженной Землей обратно в космическое пространство, к по­ ступающей энергии.

224 Глава 7. БИОСФЕРА лой влажной массы воздуха над холодной поверхностью Земли или холодной воздушной массой.

Кучевые облака (от лат. kumulus — груда, скопление).

Они являются результатом конвекции (подъема) богатого вла­ гой воздуха. Адиабатическое1 охлаждение приводит к тому, что на определенной высоте влажность воздуха достигает на­ сыщенного состояния и начинается конденсация влаги. Это и есть нижняя граница кучевого облака, которая остается прак­ тически неподвижной, хотя воздух постоянно проходит через нее. Над верхней границей облака (состоящей обычно не из ка­ пель, а из кристалликов льда) воздух, охлажденный и лишив­ шийся влаги, растекается в стороны и опускается вниз вокруг кучевого облака. С самолета можно видеть, что большое куче­ вое облако имеет правильно расположенные конвекционные ячейки, ровными рядами или отдельными холмами возвы­ шающимися в шахматном порядке.

При мощной конвекции рождается туча — грозовое куче­ вое облако. Его обычная высота 7—10, а у экватора 12—15 км.

В туче существуют восходящие и нисходящие потоки воздуха.

Вниз он увлекается падающими каплями дождя или льдин­ ками.

Перистые облака (от лат. kurros — локон, завиток). Они состоят из мелких кристаллов льда и образуются на больших высотах в быстрых турбулентных струях ветра. Слоистые и кучевые облака вместе составляют гамму смешанных видов облаков.

Облака присущи и другим планетам с мощными атмосфе­ рами. Ими полностью скрыты поверхности Венеры и Титана, а поверхностью Юпитера и Сатурна считают верхние края об­ лаков, ибо другой поверхности (ни жидкой, ни твердой) там нет. Химический состав облаков соответствует химическому составу атмосфер других планет: так, считают, что некоторые облака Венеры — это капельки кислоты.

Облака на Земле — существенная характеристика погоды.

Преимущественно мощная облачность располагается над теми местами, где давление у поверхности низкое. Туда стремятся, закручиваясь из-за вращения Земли, поверхностные ветры (рис. 7.11). В центре такого циклона (от греч. zyklone — вра­ щающийся, кольцо змеи) воздух поднимается вверх и, охлаж­ даясь, образует облака. В верхних слоях атмосферы циклона, Адиабатический (от греч. adiabatos — непереходимый) процесс — изменение состояния физического тела без притока или отдачи теплоты.

7.2. Геосферные оболочки Земли над областью пониженного давления, наблюдается прямо про­ тивоположное явление — давление атмосферного воздуха вы­ ше среднего, характерного для данной высоты. В верхней тро а) б) Рис. 7.11. Схема циклона (а) и антициклона (б): 1 — давление у поверхно­ сти;

2 — направления поверхностных ветров;

3 — вертикальный разрез;

4 — направления высотных ветров;

5 — давление в верхней тропосфере;

р — давление;

г — высота над уровнем моря 8 ЭКОЛОГИЯ 226 Глава 7. БИОСФЕРА посфере воздух из-за избыточного давления расходится от центра циклона.

Антициклон — область повышенного атмосферного давления у поверхности. В антициклоне сухой воздух опускается из верхней тропосферы, поэтому над местами, где он образовал­ ся, безоблачное, ясное небо.

Циклоны и антициклоны имеют диаметры около 200— 3000 км и в среднем существуют около недели. При этом есть на Земле и постоянный циклон, и летом, и зимой стоящий око­ ло Исландии. Он существует благодаря встрече теплых вод Гольфстрима с холодным полярным воздухом.

Погода нашей страны зимой во многом определяется Си­ бирским антициклоном, главную роль в формировании кото­ рого играют Гималаи, не пропускающие на север влажный воздух Индийского океана.

Число циклонов и антициклонов по всей Земле в каждый момент времени примерно одинаково. Облачность закрывает около половины поверхности планеты.

7.2.2.8. Роль атмосферы в удержании теплоты В связи с наклоном оси вращения Земли на 66,5° к плос­ кости эклиптики количество солнечной радиации, приходя­ щей на верхнюю границу атмосферы, является функцией гео­ графической широты местности и времени года (рис. 7.12).

При прохождении через земную атмосферу интенсивность солнечного излучения заметно уменьшается. Ослабление зави­ сит от свойств облачного покрова, содержания пыли в атмос­ фере, а также от суточных и сезонных изменений различных физических величин.

В среднем за год 25—30% приходящего солнечного излу­ чения отражается облаками обратно в космическое простран­ ство. Еще 25% излучения поглощается, а затем переизлучает­ ся облаками, пылью, газами, т. е. в виде нисходящей, диффуз но рассеянной радиации. Примерно столько же поступает на поверхность Земли в виде прямой солнечной радиации.

Соотношение между прямым и рассеянным светом зако­ номерно меняется в зависимости от географической широты.

В полярных районах преобладает рассеянная радиация, со­ ставляющая до 70% суммарного лучистого потока, а в эквато­ риальных областях она не превышает 30%. Это связано с луч­ шим прохождением лучей прямой радиации через атмосферу вертикально вниз, а не под малым углом к горизонту.

7.2. Геосферные оболочки Земли Март Июнь Сентябрь Декабрь Весеннее Летнее Осеннее Зимнее равноденствие солнцестояние равноденствие солнцестояние Рис. 7.12. Сезонные изменения интенсивности облучения поверхности Земли солнечной радиацией на разных широтах Северного полушария (по Дж. Андерсону): 1 — экватор;

2 — умеренная зона (40° с. ш.);

3 — полярная зона (80° с. ш.) Часть излучения, достигающего поверхности, возвращает­ ся в атмосферу. Ее количество зависит от альбедо (отражаю­ щей способности) поверхности: снег отражает около 80—95%, травянистая поверхность — 20%, а темные почвы — только 8—10% потока приходящего излучения. Среднее альбедо Зем­ ли — 35—45%.

Большая часть поглощаемой водоемами и почвой солнеч­ ной энергии затрачивается на испарение воды. При конден­ сации паров выделяющаяся теплота идет на дополнительный нагрев атмосферы, основной нагрев которой происходит непо­ средственно при поглощении 20—25% излучения, поступаю­ щего от Солнца.

Атмосфера достаточно прозрачна для коротковолнового излучения Солнца и плохо пропускает длинноволновое (инф­ ракрасное) излучение, переизлученное (не путать с отражен­ ным!) нагретой земной поверхностью, что вызывает отно­ сительно усиленный нагрев приземных слоев воздуха, на­ зываемый парниковым эффектом. Атмосфера играет роль своеобразного «одеяла», удерживающего тепло аналогично стеклянной крыше парника. Пропускание атмосферой инф­ ракрасного излучения зависит от содержания в ней «парнико 228 Глава 7. БИОСФЕРА вых» газов, к которым в первую очередь относятся пары воды (Н 2 0), диоксид углерода (С0 2 ), метан (СН 4 ), хлорфторуглеро ды (фреоны 2 ), гемиоксид азота (N 2 0), а также тропосферный озон (0 3 ).

7.2.3. Гидросфера Гидросфера (от греч. hydor — вода, spahaire — шар) — жидкая оболочка планеты. Человек, являясь сухопутным обитателем, воспринимает Землю прежде всего как сушу, од­ нако при рассмотрении из космоса наша планета представ­ ляется планетой воды (рис. 7.13), ибо более 3/4 ее занимают водные поверхности океанов, морей, континентальных водое­ мов и ледников, причем 3/4 — это нижний предел величи­ ны, так как площадь, покрываемая гидросферой, существенно меняется и достигает в декабре — феврале 443 млн к м (табл. 7.4) или около 87% поверхности Земли, равной 510 млн к м 2. «Как же не соответствует нашей планете имя Земля! Насколько правильнее было бы говорить — Океан» {Ар­ тур Кларк).

Зимой люди на значительной территории суши ходят «по колено» в твердой воде и, как все живое, не могут не учиты­ вать наличие этой сезонной разновидности гидросферы в своей жизнедеятельности.

Рис. 7.13. Соотношение площади суши и водной поверхности на Земле:

а — океаническое полушарие;

б — материково-океаническое полушарие Пары воды, благодаря своему обилию, — наиболее значимый при­ родный парниковый газ. Однако при конденсации в облака роль паров воды становится диаметрально противоположной, ибо облака, отражая солнечное излучение, препятствуют нагреву поверхности Земли.

Фреон (от фр. — freon), русский синоним — хладон.

7.2. Геосферные оболочки Земли Таблица 7. Площадь, занимаемая гидросферой на поверхности Земли Площадь Составляющие гидросферы млн км2 % Мировой океан (моря и океаны) 361,2 70, 16,3 3,2 (-11% суши) Оледенение 2,3 1, Озера и реки 3,0 0, Болота и сильно увлажненные земли -0,2 -0, Прочие Снежный покров (в декабре — -60,0 -11, феврале) ВСЕГО -443 -86, Понятие «гидросфера» включает все свободные воды Зем­ ли, которые не связаны химически и физически с минералами земной коры, т. е. могут двигаться под действием гравитацион­ ной силы либо теплоты. Гидросфера (табл. 7.5) состоит из всех океанов, морей, рек, озер, водохранилищ, болот, подземных вод, ледников, снежного покрова, включает атмосферную и почвенную влагу, а также биологическую воду (например, в ор­ ганизме человека содержится около 70% воды).

Таблица 7. Масса воды в гидросфере и ее составляющих Доля, % Время Состав­ Условный, полного Масса во­ слой на по­ ляющие запасов ды • 1 0 _ 3 возоб­ общей верхности гидросфе­ пресной новле­ млрд т* массы Земли, м ры воды ния, лет Мировой 1 370 000 91,55 2600— океан Подзем­ 100 6,68 ные воды (4000— - — 200 000) 230 Глава 7. БИОСФЕРА Окончание таблицы 7. Доля, % Время Состав­ Условный, полного Масса во­ ляющие слой на по­ запасов возоб­ ды • 10~ общей гидросфе­ верхности пресной новле­ млрд т* массы ры Земли, м воды ния, лет в том чис­ 4000 30,1 0, ле пресные 26 но-ледо- 8000— (24 000— 68,7 1, вые обра­ 10 30 000) зования Малые со­ ставляю­ щие:

0,26 озера (прес­ (прес­ <0, (175—750) ные) ные) почвенная 100 0,9— <0, 0, влага 1, (65—500) <0, болота 100 0, атмосфер­ 14, ная влага 0,04 < 0, (12,9- 0, 17,0) реки 0, 1,2(2,1) < 0, 0, —0, Биологиче­ < 0, 0, 1, ская вода ВСЕГО 1 500 496,3 100 100 * Обычно, оценивая гидросферу, считают, что 1 т природной воды за­ нимает объем 1 м 3. Это неточно из-за колебаний солености и температуры морской воды, однако возникающая ошибка незначительна, а расчеты намного упрощаются. В скобках указаны иные оценки массы.

Количество воды в океане, основной составляющей гидро­ сферы, не строго постоянно. Уровень океана за время его су­ ществования неоднократно падал на 120—150 м ниже совре­ менного, и тогда шельф становился сушей, а континентальный склон местами обнажался. «Ушедшая» вода накапливалась на 7.2. Геосферные оболочки Земли суше ледяными горами, подобными тем, что сейчас существу­ ют в Антарктиде и Гренландии. В периоды оледенения доля поверхности Земли, занятая Мировым океаном, сокращалась примерно на 5%. Тем не менее океан всегда преобладал над су­ шей.

Вода обладает рядом уникальных особенностей, отличаю­ щих ее от большинства других жидкостей, что накладывает отпечаток на строение и жизнедеятельность организмов:

• высокая универсальная растворяющая способность;

по­ верхностное натяжение;

скрытая теплота плавления льда (336 Дж/г);

теплопроводность;

диэлектрическая проницаемость;

• полярность молекулы;

• полная прозрачность в видимом участке спектра;

• наивысшая среди жидкостей и твердых тел удельная теплоемкость;

• аномально высокая для жидкости удельная теплота ис­ парения (2263,8 Дж/г при 100 °С);

• способность испаряться и сублимироваться при любой температуре;

• малая сжимаемость;

• источник кислорода, выделяемого при фотосинтезе, и донор ионов водорода в фотосинтетических реакциях;

• наличие максимальной плотности при +4 " С 1.

Морская вода, содержащая 3,5% солей, не имеет темпера­ турного максимума плотности, что является одним из ее важ­ ных отличий от пресной воды. Чем морская вода холоднее, тем тяжелее, вплоть до температуры -2 °С, когда в ней появляют­ ся кристаллы льда.

Следует подчеркнуть, что пресная вода, в отличие от боль­ шинства веществ при плавлении, сжимается, а при замерза­ нии, наоборот, расширяется. Этим объясняется тот факт, что вода активно участвует в формировании облика поверхности Земли, разрушая материнские породы гор на мелкие частицы — первичный материал почвы. За миллионы лет вода уничтожа­ ет самые высокие горы, снося продукты их разрушения в по­ ниженные места рельефа и вынося ручьями и реками в моря.

Все реки планеты ежегодно выносят в моря и океаны около 20 млрд т твердых частиц, полученных при разрушении суши, Это свойство воды объясняет, почему в средних широтах зимой температура подземелий и на дне глубоких озер достаточно стабильна и равна примерно +4 °С.

232 Глава 7. БИОСФЕРА и около 3 млрд т растворенных веществ. За год суша теряет 10—12 к м 3 горной породы и почвы. В целом на Земле поверх­ ность суши понижается за счет разрушения со скоростью око­ ло 90 мм за тысячелетие.

Кроме того, вода — единственное вещество на Земле, кото­ рое одновременно и в больших количествах встречается во всех трех агрегатных состояниях. Ряд особенностей воды под­ робнее рассмотрен ранее.

Если условно воду всей гидросферы равномерно распреде­ лить по поверхности планеты, то она покроет ее слоем толщи­ ной около 3000 м. Если земной шар уподобить яйцу, то земная кора будет соответствовать скорлупе, а гидросфера — тончай­ шей, менее микрона толщиной, пленке на ее поверхности.

Тончайшая в масштабах нашей планеты пленка воды на ее поверхности оказывает стабилизирующее воздействие на усло­ вия среды, прилегающей к поверхности, в которой развивалась и существует биосфера. Средняя глобальная температура у по­ верхности планеты на протяжении всей ее истории, т. е. около 4,6 млрд лет, изменялась в очень незначительных пределах. Гид­ росфера за этот период никогда не кипела, не испарялась полно­ стью и не замерзала. Все это говорит о достаточно узком диапа­ зоне колебаний температуры, верхний предел которого заведомо был значительно ниже 100 °С, а нижний несколько выше 0 °С.

Учитывая, что при температуре более 50—60 °С (темпера­ тура пастеризации) основная часть организмов не может су­ ществовать и что при средней температуре ниже +5 °С начался бы необратимый процесс полного оледенения планеты, можно сделать вывод о еще более узком возможном диапазоне темпе­ ратур на поверхности Земли. В стабилизации условий на по­ верхности Земли особенно велика роль Мирового океана, что обусловлено его массой и занимаемой площадью.

Несмотря на внушительный объем вод, на нашей планете лишь 2,5% приходится на долю пресной воды (с минерализа­ цией1 менее 1 г/л), причем в пресных озерах и реках ее содер­ жится всего 0,007% от общих запасов.

7. 2. 3. 1. Возникновение и эволюция гидросферы Гидросфера и ее составляющие части, круговорот воды, а также динамические явления прошли длинный путь эволю­ ции. Они неоднократно менялись по массе, соотношению жид Минерализация — количество солей в граммах на 1 литр воды, г/л.

7.2. Геосферные оболочки Земли кой и твердой частей, вовлекаемых в кругооборот и движение, по скоростям и расстояниям переноса этих масс, по заключен­ ным в них энергии, растворенным газам, твердым веществам и органике, взвесям. Эти изменения записаны в геологической летописи — слоях пород, сформировавшихся и формирую­ щихся сейчас в водоемах, — которая пока еще не полностью расшифрована.

Вода столь широко распространена не только на Земле. Ее достаточно много в окружающем нас космическом простран­ стве. Так, полюса Марса покрыты ледяными шапками;

спут­ ники Юпитера, Сатурна и некоторых других планет — пол­ ностью льдом;

ядра комет состоят изо льда (что эксперимен­ тально подтверждено при исследовании кометы Галлея);

атмосфера Венеры имеет значительное количество паров воды и т. д. Однако на поверхностях иных планет вода существует только в твердом или парообразном состоянии, а на Земле она преимущественно жидкая.

По данным о скорости радиоактивного распада атомов раз­ личных элементов Земля образовалась из холодного газопыле­ вого облака 4,6 млрд лет назад. Возраст самых древних пород, найденных в наши дни, достигает 3,8 млрд лет, причем они со­ хранили отпечатки стенок клеток самых древних одноклеточ­ ных организмов. Математические расчеты общего разнообразия генетического кода позволили немецким биохимикам устано­ вить его возраст, составивший 3,8 ± 0,6 млрд лет, следователь­ но, упомянутые породы отлагались в водоемах, где к тому вре­ мени уже должна была существовать жизнь, причем такая, которая успела активно включиться в биогеохимические про­ цессы. Поэтому гидросфера с жидкой водой должна была по­ явиться еще раньше, не позднее 4 млрд лет назад.

В настоящее время нет достоверных данных о составе пер­ вичной атмосферы и растворенных веществах в первичной гидросфере на начальном этапе их образования. Считают, что с определенного момента атмосфера и гидросфера стали быст­ ро пополняться газами, выделявшимися при вулканических извержениях и излияниях лав, а также при дегазации в риф товых долинах. Возникшая атмосфера была почти полностью лишена кислорода и потому имела восстановительный харак­ тер. Выбрасываемый вулканами и выделявшийся при дегаза­ ции диоксид углерода вместе с водяным паром обеспечили парниковые условия, что отразилось на ходе эволюции Земли.

Пополнение гидросферы нашей планеты водой вследствие непрерывной дегазации вещества мантии шло постоянно, но 234 Глава 7. БИОСФЕРА с разной интенсивностью. В пе­ риод «белого пятна времени» шел медленный рост за счет юве нильных2 вод, а затем в течение примерно 1 млрд лет гидросфе­ ра росла достаточно быстро (рис. 7.14). В последние 2,5— 2 млрд лет она стабилизирова­ лась.

В это время срединно-оке анические хребты и часть воды была затрачена на серпентини Время, млрд лет зацию3 нижнего слоя океаниче­ ской коры, в результате чего во­ Рис. 7.14. Изменение массы М воды в гидросфере и земной коре да, пополнявшая гидросферу (по О. Г. Сорохтину): 1 — де­ (вместе с углекислым газом), газированной из мантии;

2 — оказалась химически связан­ в гидросфере;

3 — связанной ной оливином4.

в океанической коре;

4 — свя­ После преобразований оке­ занной в континентальной коре анической коры вновь начался рост массы океана, но примерно 1 млрд лет назад она прибли­ зилась к современной, и темпы роста ее сильно замедлились.

Процесс изменения массы гидросферы за счет дегазации тесно связан с эволюцией недр Земли и определяется скоростью рос­ та плотного ядра планеты за счет сепарации в нем соединений железа.

Период эволюции Земли 4,6—4 млрд лет на уровне современного знания заполнен только физически непротиворечивыми гипотезами и предположениями и потому назван «белым пятном времени».

Ювенильные (первичные) — воды дегазирующейся магмы, впер­ вые вступающие в круговорот воды на Земле. Экспериментально установ­ лено, что лавы, формирующие базальты, содержат до 7% мае. воды, ос­ новная часть которой выделяется при остывании.

Серпентинизация — многостадийный процесс изменения (гидрата­ ции — химической реакции с участием воды) природных магнезиальных силикатов (оливин и другие) с переходом в серпентин — минерал из клас­ са силикатов, по кристаллической структуре относящийся к слоистым силикатам. Процесс протекает под воздействием термальных водных растворов.

Оливин — магниево-железистый силикат (Mg, F e ) 2 [ S i 0 4 ], являю­ щийся главным минералом ультраосновных пород мантии Земли. Он ис­ пользуется для изготовления огнеупорных кирпичей, в ювелирном деле и других областях.

7.2. Геосферные оболочки Земли Далеко не вся поступающая из недр Земли вода остается в составе гидросферы. Одна часть воды затрачивается на сер пентинизацию вновь образующихся порций океанической ко­ ры, а другая вместе с осадочными толщами, накопившимися на ложе океана, погружается снова в недра Земли в зонах суб дукции.

В процессе переплавки океанической коры после ее погру­ жения в недра Земли вода играет важную роль, так как водо насыщенные силикатные слои плавятся при температурах около 700 °С, тогда как сухие при более 1000 °С.

На протяжении всей истории нашей планеты шло переме­ щение морских вод из исчезавших океанов во вновь возникав­ шие. В современных океанах движущаяся подобно конвейеру океаническая кора в целом моложе самих океанов. Макси­ мальный возраст ложа океанов 150 млн лет, а обычно оно зна­ чительно моложе. В наши дни общий баланс прихода и расхо­ да воды на Земле за счет геологического круговорота остается положительным и масса гидросферы непрерывно возрастает.

7.2.3.2. Мировой океан Океаны и моря отождествляют с гидросферой неслучай­ но — они образуют ее основную массу или более 9 0 %. Водный годовой баланс Мирового океана приведен в табл. 7.6.

Таблица 7. Годовой баланс воды в Мировом океане Количество, Элементы прихода Элементы Количество, км3 км расхода Атмосферные 407 200 Испарения 452 осадки Сток рек 40 Подземный сток (минуя реки) Талые воды поляр­ ных областей Итого Итого 452 452 Рельеф дна. В середине XX в. с помощью эхолотов, авто­ матически измерявших глубину океана, составлена подробная 236 Глава 7. БИОСФЕРА карта рельефа дна. Она начинается с полой материковой отме­ ли или шельфа (от англ. shelf — полка), где глубина медленно увеличивается до 200 м. В среднем мелководная область во­ круг материков простирается на 80 км. Далее дно имеет кру­ той континентальный склон с уклоном 3—5°, доходящий до глубин 2500 м. У побережья Цейлона средний уклон достигает 30°. В конце концов дно переходит в океаническое ложе — абиссаль с узкими глубоководными желобами, широкими тре­ щинами — рифтами, срединноокеаническими и иными хреб­ тами и обширными котлованами.

Почти гладкие равнины ложа с глубинами 3,7—6 км зани­ мают около 76% площади Мирового океана. Высота горных хребтов измеряется от сотен до нескольких тысяч метров, мес­ тами они выступают над водой в виде островов. Самые высокие из них — Азорские острова в Северной Атлантике высотой 2500 м над водной поверхностью и около 9000 м относительно дна океана. Высокие горы и глубокие впадины океанского дна занимают всего около 1% земной поверхности.

Рельеф поверхности. Поверхность океана совсем не иде­ ально гладкая, и местами на ней есть горы и впадины. Так, к югу от острова Шри-Ланка уровень воды опущен на 100 м, а у острова Новая Гвинея поднят почти на 80 м относительно земного эллипсоида. Северная часть Атлантики представляет собой плато высотой 67 м, а знаменитый Бермудский тре­ угольник — нечто вроде котла глубиной в несколько десятков метров.

Кроме такого постоянного «рельефа», обусловленного гра­ витационными силами, на поверхности океана все время воз­ никает и разрушается переменный «рельеф» в виде волн той или иной высоты и длины. Волны генерируют в основном вет­ ры, хотя волнение наблюдается и без них. Они докатываются в зоны штиля из районов, где бушует буря, и называются зыбью.

Причинами волн также являются приливы, изменения атмос­ ферного давления, извержения подводных вулканов, землет­ рясения и др.

Температура и вертикальная структура океана. Вода наи­ более сильно поглощает солнечную энергию среди всех прочих разновидностей поверхности Земли. Способность Мирового океана улавливать теплоту в несколько раз больше, чем у су­ ши. От поверхности океана отражается только 8% солнечной радиации. Из-за особых тепловых свойств воды, включая уни­ кально высокую теплоемкость, океан является накопителем солнечной энергии на планете. Нагрев происходит в основном 7.2. Геосферные оболочки Земли в экваториальном поясе примерно от 15° ю. ш. до 30° с. ш., а в более высоких широтах обоих полушарий теплота отдает­ ся. Основные переносчики накопленной солнечной теплоты — поверхностные течения океана.

Средняя температура поверхности океана составляет +17,8 °С, самая «горячая» поверхность — у Тихого океана, +19,4 °С, а самая холодная — подо льдом Северного Ледовито­ го океана, -0,75 °С. В среднем температуру поверхности Миро­ вого океана оценивают примерно на 3,6 °С выше, чем темпера­ туру воздуха у поверхности Земли. Если бы можно было рав­ номерно перемешать океан, то его средняя температура составляла всего 5,7 °С, однако быстро это сделать невозмож­ но, и в этом заключается одна из причин стабильности темпе­ ратуры у поверхности Земли. Ветры, волнения и бури в тече­ ние года перемешивают слой воды в океане лишь до глубин 100—200 м. Таким образом, формируется верхний относитель­ но тонкий слой — слой перемешивания, имеющий достаточно однородные характеристики температуры и солености по глу­ бине 1.

Под слоем перемешивания в сравнительно тонком слое во­ ды температура резко, почти скачком, падает на несколько градусов, поэтому он назван слоем скачка или сезонным тер­ моклином. Ниже слоя скачка температура воды плавно опус­ кается до глубины 1500 м, а соответствующий слой называют главным термоклином. В нем также происходит перемешива­ ние, но очень медленно. Ниже 1500 м в слое, называемом глу­ бинным, температура почти постоянна и меняется в пределах от 3 до 1 °С.

Продвижение вертикально вниз от слоя перемешивания, через сезонный и главный термоклины к глубинному слою со­ провождается постоянным падением температуры и увеличе­ нием плотности воды, что обеспечивает большую устойчивость системы. Перемешивание нигде не прекращается, оно лишь сильно замедляется с глубиной.

Солевой состав. Суммарную массу растворенных солей Мирового океана оценивают в 48 000 000 млрд т, и если бы со­ ли осели на дно, то образовался бы слой толщиной 30 м.

Согласно наиболее поздним экспериментальным данным, самый перемешиваемый верхний слой оказался прикрыт тончайшей пленкой, отличающейся от остальной массы воды температурой и соленостью. Эта пленка непрерывно разрушается и создается вновь.

238 Глава 7. БИОСФЕРА Плотность соленой воды больше плотности пресной. Оке­ анская вода средней солености имеет плотность 1,028 г/см при температуре 0 °С и 1,026 г/см 3 при 15 °С. С повышением давления плотность воды растет незначительно. Так, на глуби­ не 5 км при давлении около 50 МПа (500 атм) плотность мор­ ской воды при 0 °С равна 1,051 г/см 3.

Однако при таянии ледников, айсбергов и морского льда океанская вода становится менее плотной, несмотря на то что она при этом охлаждается: опреснение сильнее уменьшает плот­ ность, чем охлаждение увеличивает ее. Поэтому айсберги — глыбы льда, отколовшиеся от ледников Антарктиды и Грен­ ландии, плавают как бы на подушках из почти пресной, легкой воды, которая с окружающей соленой водой перемешивается довольно медленно. В разнонагретой воде температура вырав­ нивается в 100 с лишним раз быстрее, чем в разносоленой воде ее соленость. Поэтому если над холодной пресной водой распо­ ложен теплый слой соленой воды, то возникает неустойчивое состояние, приводящее к перемешиванию (рис. 7.15).

В океане разность температур и солености невелика, но описанный процесс усиливает вертикальное перемешивание.

Газы в океане. Для воды характерно наличие растворен­ ных газов. В океане «растворенная атмосфера» формируется как результат газообмена с земной атмосферой при участии биогеохимических процессов в толще воды и на дне, а также при дегазации мантии в районах рифтовых долин и подводных вулканов.

Течения. Атмосферная циркуляция, неравномерный на­ грев поверхности, контрасты солености, возникающие в связи с изменчивостью испарения и осадков по акватории, темпера­ турные контрасты, силы притяжения Луны и Солнца и другие явления вызывают и поддерживают активное движение вод­ ных масс в Мировом океане. Наиболее изучены поверхностные Теплая соленая Рис. 7.15. Рост солевых пальцев в расслоенной воде по стадиям (а — г) развития процесса 7.2. Геосферные оболочки Земли течения (рис. 7.16), представляющие собой систему гигант­ ских круговоротов, движущихся в Северном полушарии по ча­ совой стрелке, а в Южном — против. Между ними существует несколько меньших по масштабу круговоротов с движением в противоположных направлениях. Кроме более или менее по­ стоянных, в океане возникают различные непостоянные и пе­ риодические течения.

Средняя скорость поверхностных течений лежит в преде­ лах 0,1—0,2 м/с, хотя местами она достигает 1 м/с, а в тече­ нии Гольфстрим отмечены скорости до 3 м/с. Расход воды в гигантских поверхностных течениях составляет 10 7 —10 8 м 3 /с, что почти в 100 раз больше расхода самой крупной реки мира Амазонки. Эти течения представляют собой как бы сравни­ тельно тонкую пленку на поверхности океана, так как ширина их обычно в 100—1000 раз больше глубины. Основной движу­ щей силой поверхностных течений океана является ветер.

Поверхностные течения быстро затухают с глубиной уже на первых сотнях метров;

на больших глубинах или у дна заметны лишь очень мощные течения. Так, в Гольфстриме или Куросио движение воды сохраняется лишь до глубины 750—1500 м, а Антарктическое циркумполярное течение достигает дна.

Рис. 7.16. Главные течения Мирового океана: 1 — Гольфстрим;

2 — Бразильское;

3 — Куросио;

4 — Восточно-Австралийское Куросио (от япон. Курошива — черный поток (по цвету вод)).

240 Глава 7. БИОСФЕРА Во многих случаях выявлены подповерхностные течения, расположенные ниже поверхностных и движущиеся в проти­ воположном направлении. Глубинные течения океана изуче­ ны мало. Схема глубинной циркуляции построена с помощью расчетных методов и не очень точна. Тем не менее течения во­ ды на больших глубинах зафиксированы экспериментально.

В конце XIX в. норвежский исследователь Арктики Ф. Нан­ сен во время дрейфа в Северном Ледовитом океане заметил, что при постоянном ветре дрейф судна происходит не в направ­ лении ветра, а под углом 20—40° направо от него. В 1905 г.

шведский ученый В. Экман создал теорию ветрового течения в открытом глубоком океане, учитывающую возникающую из-за вращения Земли силу Кориолиса.

Согласно этой теории, поверхностная скорость течения глубокой воды примерно равняется значению, получаемому для мелкой воды, но под углом 45° по направлению ветра (на­ право в Северном полушарии и налево в Южном). При углуб­ лении вектор скорости постепенно поворачивается и на не­ которой глубине, зависящей от географической широты мес­ та, он ориентирован уже в сторону, противоположную ветру, а еще несколько глубже — в сторону, прямо противоположную направлению поверхностного течения.

Расчеты показывают, что при средней скорости ветра на Земле, равной 10 м/с, и средней скорости поверхностного тече­ ния, равной 0,1 м/с, глубина, на которой течение поворачива­ ет вспять, составляет около 100 м. Таким образом, водные мас­ сы в основном переносятся течениями в верхнем стометровом слое, а возникающее при этом явление турбулентности актив­ но перемешивает этот слой.

В полярных широтах у кромки льдов происходит охлажде­ ние и осолонение воды океана, наиболее характерное для при антарктических вод. Образующаяся более тяжелая вода, мак­ симально насыщенная кислородом, погружается на дно и при­ донным потоком с незначительной скоростью 1 —10 мм/с стекает в сторону экватора во всех океанах. Этому процессу препятствует естественная стратификация (расслоение) мор­ ской воды, и тяжелая вода погружается через описанную сис­ тему ячеек (или провалов), обусловленную рельефом дна и ди­ намикой вод.

Обратный процесс — подъем глубинных вод, насыщенных биогенными элементами, осуществляется преимущественно через систему особых ячеек. Медленный подъем океанских вод в специальной литературе называют апвеллингом (от англ. up — 7.2. Геосферные оболочки Земли а) б) Рис. 7.17. Схема течений в прибрежной зоне в Северном полушарии:

а — апвеллинг — подъем вод;

б — даунвеллинг — опускание вверх, veiling — источник, родник, течение воды), а их опуска­ ние — даунвеллингом (от англ. daun — вниз). Поскольку на глубине вода холодная, то температура поверхностных вод на экваторе на 2—3 °С ниже, чем в соседних тропиках. Таким об­ разом, экваториальная область океанов — относительно холод­ ное место планеты.

Помимо экваториальной зоны апвеллинга, подъем глубин­ ных вод возникает там, где сильный постоянный ветер отгоня­ ет поверхностные слои от берега больших водоемов. Учитывая выводы теории Экмана, можно констатировать, что апвеллинг происходит при касательном к берегу направлении ветра (рис. 7.17). Смена направления ветра на противоположное ве­ дет к смене апвеллинга на даунвеллинг или наоборот. На зоны апвеллинга приходится всего 0,1% площади Мирового океана.

7.2.3.3. Подземные воды Подземные воды — связующее звено для всей гидросфе­ ры Земли. Они же замыкают геологический круговорот воды.

Однако о подземных водах известно меньше всего, особенно о глубоко залегающих, поэтому и оценки массы этих вод силь­ но расходятся. Преимущественно учитывают запасы воды только в верхнем 2—3-, редко 5-километровом слое от поверх­ ности. Бурением скважин экспериментально доказано, что жидкая вода в недрах Земли может существовать и значитель­ но глубже 5 км, а в отдельных случаях глубже 10 км.

242 Глава 7. БИОСФЕРА С глубиной температура в земной коре растет, и в ней все больше образуется парообразной воды. На значительной глу­ бине при высокой температуре вся вода переходит в пароводя­ ную смесь, а в надкритических условиях 1 — в особое состоя­ ние, когда стирается разница между паром и водой. При этом молекулы воды приобретают скорость, характерную молеку­ лам газов, а плотность ее приближается к плотности жидкос­ ти. Возникает своего рода водяная плазма.

По расчетам О. Г. Сорохтина подземные воды нашей пла­ неты, находящиеся в жидком и парообразном состоянии, оце­ ниваются величиной 1 • 10 5 тыс. к м 3 или около 7% массы всей гидросферы. Остальная вода в количестве 8 • 10 8 млрд т (или в пересчете на жидкую воду 8 • 10 5 тыс. км 3 ) в земной коре яв­ ляется химически связанной, и ее к гидросфере не относят.

Существует много разных оценок массы подземных вод как жидких, так и химически связанных. Но точность этих оценок намного ниже точности подсчета массы Мирового оке­ ана, которая близка к 2%.

Подземные воды образуют разнообразные водоносные сис­ темы. Простейшая из них — пористый или трещиноватый пласт, заполненный водой и залегающий на водоупорном слое или между водоупорными слоями. Такие пласты нередко обра­ зуют взаимосвязанные сложные системы разных масштабов по площади и глубине залегания.

В толще земной коры по ее вертикальному разрезу выделя­ ют несколько зон по и н т е н с и в н о с т и о б м е н а с дру­ гими составляющими гидросферы, в основном с поверхност­ ными водами. До глубины 0,1—0,5 км находится зона интен­ сивного (или активного) водообмена подземных вод, в первую очередь верховодка и грунтовые воды (рис. 7.18). Воды этой зоны тесно связаны с наземными водоемами — реками, озера­ ми, болотами, океаном. Для них характерна наибольшая ско­ рость движения, достигающая нескольких сантиметров в се­ кунду. В среднем период полного обмена с поверхностными во­ дами оценивается годами и столетиями.

Ниже, до глубин 1,5—2 км, находится зона затрудненного (замедленного) водообмена. Скорость движения воды здесь из-за уменьшения пористости и трещиноватости значительно меньше, а средние темпы возобновления запасов воды состав Надкритические условия для воды возникают при давлении 21,8 МПа (218 атм) и температуре 374 °С для пресной воды, 425 °С и вы­ ше для насыщенных растворов.

7.2. Геосферные оболочки Земли Рис. 7.18. Схема залегания подземных вод: А — верховодка;

Б — грунто­ вые воды, образующие зону активного водообмена;

В — безнапорные межпластовые воды;

Г — напорные подземные воды;

1 — проницаемые породы;

2 — непроницаемые породы — водоупоры;

3 — буровые сква­ ж и н ы и уровни воды в них, одна из них — артезианская — фонтанирует;

4 — уровни воды: а — свободный (у грунтовых вод);

б — напорный (пье­ зометрический) ляют десятки и сотни тысяч лет. Связь с поверхностными во­ дами затруднена.

Глубже 2 км лежит зона пассивного водообмена, где сред­ ние темпы возобновления ресурсов подземных вод могут ис­ числяться миллионами лет и где нередко оказываются захоро­ ненными воды древних морских бассейнов.

Примерно в том же порядке подземные воды располагают­ ся и по степени содержания растворенных солей — м и н е р а ­ л и з а ц и и. В активной зоне водообмена обычны пресные во­ ды с минерализацией до 0,1% (1 г/л) и преобладанием гидро­ карбонатного иона (НСОд). В зоне затрудненного водообмена чаще встречаются солоноватые и соленые воды с минерализа­ цией 1—3,5%, в таких водах часто преобладает сульфат-ион SO|~. В самых глубоких слоях в зоне пассивного водообмена обычны воды с минерализацией более 3,5% и преимуществен­ но хлоридным составом, близким к морской воде. Кроме того, с глубиной появляется все больше термальных вод.

Огромные водоносные системы и бассейны найдены даже в самых засушливых и пустынных районах мира. Так, в вели 244 Глава 7. БИОСФЕРА чайшей пустыне Африки — Сахаре выявлено 10 крупных бас­ сейнов подземных вод.

Подземные воды, как и все другие составляющие гидро­ сферы, имеют свою растворенную «атмосферу». С повышени­ ем давления растворимость газов растет. В подземных водах на глубинах 1—4 км обнаружены воды с содержанием газов до 500 см 3 /л, а в некоторых районах Западной Сибири даже 1000—1500см 3 /л. При этом в океане в среднем содержится только 20 см 3 /л газов. Общая масса газов, растворенных в под­ земных водах, видимо, превышает массу газов, растворенных в Мировом океане, и приближается к массе наземной атмосферы.

7.2.3.4. Льды и снега Вода, образующая снежно-ледовые объекты, по количе­ ству является одной из основных составляющих гидросферы.

Она находится на поверхности Земли в твердом состоянии в виде постоянных или временных накоплений.

Основная масса льда заключена в ледниках и составляет примерно 2,6 • 10 7 млрд т воды;

в Антарктическом ледниковом покрове сосредоточено 2,4 • 10 7 млрд т воды и порядка 0,2 • 10 7 млрд т — в Гренландском;

остальная, незначительная часть воды — в горных и арктических ледниках, а также в других снежноледовых образованиях. Ошибка при оценке мас­ сы воды в ледниках приближается к 10%.

Ледниковый лед в твердом состоянии обладает вязко-плас­ тическими свойствами, благодаря которым он течет со ско­ ростью от 6 мм до 30 м в сутки. Из-за малой скорости темпы возобновления водозапасов в ледниках сравнимы с темпами возобновления воды в подземных водах глубоких горизонтов и определяются в первую очередь линейными размерами лед­ ника.

Температура в ледниках с глубиной растет и у дна часто достигает точки плавления при данном давлении, что, напри­ мер, характерно для большей части донного льда Антарктики.

Горные ледники в летнее время часто имеют температуру всей своей толщи, близкую к температуре плавления. На всех лед­ никах и ледовых покровах в летний сезон идет таяние льда.

Ледниковые льды имеют и свою «атмосферу», которая со­ держится в пузырьках с атмосферными газами, захваченными и захороненными на момент образования данного слоя льда.

При этом часть газов может быть переведена в твердые формы путем соединения молекул газа с несколькими молекулами во 7.2. Геосферные оболочки Земли ды. В таком гигантском леднике, как Антарктический, где толщина льда местами превышает 4 км, на глубине 1 км пу­ зырьки воздуха исчезают, как бы растворяясь во льду. При из­ влечении такого льда на поверхность пузырьки восстанавлива­ ются. Чем с большей глубины извлечены образцы ледникового льда, тем более древние образцы атмосферы можно исследо­ вать. В толще Антарктического ледникового покрова можно обнаружить воздух, захваченный при льдообразовании не­ сколько сотен тысяч лет назад. В целом масса газов в леднико­ вых льдах незначительна.

Следующая по массе часть твердой гидросферы представ­ лена морскими льдами. В момент наибольшей ледовитости в Северном полушарии количество льда оценивается в (3,2— -4,4) • 10 4 млрд т, а в Южном — 3 • 10 4 млрд т 1.

Значительная масса льда (2 • 10 4 млрд т) сосредоточена в зонах многолетних мерзлых пород, занимающих на суше 35 млн к м 2. Эту часть воды в твердой форме можно рассматри­ вать как часть подземных вод.

Важное значение имеет сезонный снежный покров, кото­ рый при небольшой массе — 1,7 • 10 4 млрд т на всех поверхно­ стях (морской лед, ледники, суша) в течение года значительно влияет на тепловой режим планеты и сток рек. На суше сезон­ ный снежный покров в среднем занимает свыше 40 млн к м при массе 0,8 • 10 4 млрд т.

7.2.3.5. Малые составляющие г и д р о с ф е р ы По сравнению с уже рассмотренными ледовыми образо­ ваниями, подземными водами и особенно Мировым океаном ос­ тальные компоненты гидросферы, независимо от их важности для человека либо конкретного биоценоза, по массе ничтожно малы, даже вместе взятые. Поэтому их объединяют в особую группу — малые составляющие гидросферы. В нее входят: озе­ ра, реки, болота, почвенные воды и атмосферная влага. Содер Площадь постоянного морского ледяного покрова составляет 14 млн к м 2 (9 — в Северном и 5 — в Южном полушарии). В моменты наи­ большей ледовитости в Северном полушарии площадь, занятая морским льдом, может достигать 18 млн к м 2, а в Южном — 20 млн к м 2. В среднем ежегодно морским льдом оказываются одновременно покрыты 26 млн к м поверхности Мирового океана с сезонными колебаниями ± 3 млн к м (т. е. более 7% его площади), а средняя масса этого льда равна 3,5- 10 4 млрд т.

246 Глава 7. БИОСФЕРА жащаяся в живых организмах Земли вода должна бы быть от­ несена к этой группе, однако особая преобразующая роль живо­ го обуславливает отдельное рассмотрение биологической воды.

Озера. Первое место среди малых составляющих гидро­ сферы занимают озера. Их суммарная масса оценивается в 2,8 • 10 5 млрд т, а по другим источникам (1,76—7,5)-10 м л р д т 1. Это составляет ничтожную массу всей гидросферы, причем только 1,5 • 10 5 млрд т приходится на проточные прес­ ные озера, а 1,25 • 10 5 млрд т — на соленые.

Среди озер есть и такие, которые справедливо названы мо­ рями. Это крупнейшие озера мира: Каспийское площадью 371, Верхнее в Северной Америке — 82,1 и Виктория в Африке — 69,0 тыс. к м 2. В Европе самые крупные озера: Ладожское — 17,7 и Онежское — 9,7 тыс. к м 2. Самые глубокие озера: Бай­ кал — 1620 и Танганьика в Африке — 1435 м.

С учетом динамики вод озера представляют собой малень­ кие модели океана на суше. Чем крупнее озеро и больше его глубина, тем ближе оно по своим качественным динамическим характеристикам к океану, и в этом отношении Каспийское море — действительно море. Как и в океане, вода в озерах ле­ том часто разделена на слой перемешивания у поверхности, слой температурного скачка и более холодную глубинную во­ ду, т. е. стратифицирована. Но многое определяется глубиной, размерами озера и географическим положением. Чем глубже и больше озеро, тем лучше выражена стратификация. Если же озеро неглубокое и небольшое, то слой перемешивания дости­ гает дна и температура воды оказывается однородной по всей толще озера. Такое состояние называют гомотермией. Во мно­ гих озерах оно отмечается весной и летом.

В озерах умеренной зоны и высоких широт зимой под по­ кровом льда наблюдается обратная стратификация — с глуби­ ной температура воды увеличивается. Это связано с уникаль­ ной особенностью воды иметь наибольшую плотность при тем­ пературе +4 °С. Более плотная вода с такой температурой стремится ко дну, а более холодная (следовательно, и более легкая) поднимается вверх к ледяному покрову, где ее темпе­ ратура приближается к 0 °С.

В озерах, как и в океане, под воздействием ветра развива­ ются поверхностные течения, возможны подъемы глубинных Трудности оценки массы воды озер связаны с непрерывным изме­ нением их размеров, а также с наличием на Земле бесчисленного количе­ ства малых озер, которые никто никогда не измерял.

7.2. Геосферные оболочки Земли вод и возникновение придонной циркуляции. Дополнитель­ ные течения вызываются втекающими и вытекающими из озе­ ра реками.

Озера очень разнообразны по набору и концентрации рас­ творенных веществ, и в этом они ближе к подземным водам, чем к океану. Минерализация озер подчиняется географиче­ ской зональности: Землю опоясывают солоноватые и соленые озера, характерные для засушливой и пустынной зон. Соленые озера часто бывают бессточными, т. е. они принимают в себя ре­ ки, но из них водные потоки не вытекают, а приносимые река­ ми растворенные вещества постепенно накапливаются в озере в результате испарения воды с его поверхности. Вода некоторых озер настолько насыщена солями, что те кристаллизуются, об­ разуя корки разных оттенков на ее поверхности или осаждаясь на дно. Одно из самых соленых озер обнаружено в Антарктиде — озеро Виктория, вода в котором в 11 раз солонее океанской.

Озера обычно моложе вмещающих их форм рельефа. Из­ вестны случаи образования озер в историческое время. В наше время крупное озеро, названное Сарезским, образовалось на Памире. Оно возникло при землетрясении в 1911 г. в долине реки Мургаб в результате гигантского обвала, перегородивше­ го реку. Площадь озера всего 86,5 км, но ее глубина составляет примерно 505 м. Палеогеографические исследования свиде­ тельствуют, что Средиземное море в недалеком прошлом неод­ нократно превращалось в озерный водоем и даже полностью испарялось, о чем свидетельствуют мощные толщи солей в его донных отложениях.

Особенно изменчива жизнь озер в зонах, прилегающих к лед­ никам моренных озер. Существуют эфемерные озера, которые ре­ гулярно, но ненадолго появляются в одних и тех же местах.

Болота. Следующей по размерам малой составляющей гид­ росферы являются болота, представляющие собой промежу­ точное состояние между озерами и подземными водами. Они отличаются особым растительным сообществом, приспособ­ ленным к избыточному увлажнению и недостатку кислорода в воде. Болота умеренных и высоких широт — своеобразные ловушки органического углерода, где происходит его накопле­ ние и захоронение, прежде всего в виде торфа, состоящего из неполностью разложившихся остатков растительности.

В тропических районах болота имеют вид переувлажненных земель, где органическое вещество в основном разлагается и торф не накапливается. В прибрежных морских районах болота и пе­ реувлажненные земли могут быть солеными и солоноватыми.

248 Глава 7. БИОСФЕРА Общая площадь болот и переувлажненных земель оцени­ вается в 3 млн к м 2, а масса воды определена недостаточно точ­ но, хотя она весьма невелика и обычно принимается равной 1 • 10 5 млрд т.

Почвенные воды. Они играют огромную роль в биосфере, так как обеспечивают влагой растительный покров и внутри почвенные организмы. Благодаря воде в тонком слое почвы идет интенсивная биогеохимическая работа, обеспечивающая ее плодородие. По интенсивности обмена с подземными водами и атмосферой эта малая составляющая гидросферы подобна поверхностным водам, по вмещающей среде и воздействию в основном капиллярных сил — подземным водам, а по содер­ жанию растворенных веществ, газов, органического матери­ ала и организмов — это совершенно особая среда. Ее масса оце­ нивается в (8—10) • 10 3 млрд т.

Реки. Они имеют наименьшее количество воды среди про­ чих малых составляющих гидросферы. Единовременно в рус­ лах всех рек присутствует всего (1,2—2,0) • 10 3 млрд т. Однако реки являются быстрыми транспортерами воды, поэтому при сравнительно малом единовременном ее запасе в своих руслах реки за год доставляют к устьям 45 • 10 3 млрд т воды, что в 30— 40 раз больше, чем другие малые составляющие гидросферы.

Реки чрезвычайно разнообразны по размеру (табл. 7.8), глубине и скорости течения. Большая часть рек — это средние, малые и совсем небольшие речушки, длина которых может из­ меряться метрами. Крупных рек с длиной в тысячу километ­ ров и более на Земле немного — чуть больше полусотни. Об­ щая протяженность их русел составляет 180 тыс. км, а пло­ щадь, с которой они собирают воду, — примерно половину площади суши.

Речные воды обычно пресные, их минерализация приведе­ на в табл. 7.9. Общая минерализация речных вод неустойчива, она меняется по территории и по времени года. На Севере ми­ нерализация составляет около 50 мг/л, а на Юге — 500 мг/л.

Однако существуют реки с солоноватой и даже соленой водой, являющиеся редким исключением. На севере России есть река Солянка с такой водой. Минерализация речных вод в среднем почти в 200 раз меньше, чем у морской воды. Реки текут обыч­ но по тектонически унаследованным понижениям рельефа.

Однако порой они создают новые русла или даже меняют на­ правления течения.

7.2. Геосферные оболочки Земли Таблица 7. Крупнейшие реки мира Континент Название реки Площадь Расход во­ Длина, бассейна, ды в устье, км тыс. км м 3 /с Южная Амазонка 6437 200 (с Мараньоном) Америка Миссисипи 3268 18 000 Северная (с Миссури) Америка Африка Нил 6670 Янцзы 34 000 Азия 5800 Обь (с Ирты­ 5410 12 800 То же шом) »» Хуанхэ 4845 771 »» 810 14 Меконг »» Амур 4444 10 »» Лена 16 4400 41 000 Африка Конго 4370 Таблица 7. Среднее содержание ионов в водах некоторых пресных наземных водотоков и водоемов Содержание ионов, мг/л Название реки, водоема 2+ Мд 2 + Са 2,4 3,6 3, Амур (около Хабаровска) 9,4 17, 2, 63, 10,1 61,9 14, Волга (пос. Поляна) 48,9 11, Москва (около Звениго­ 4, 9,4 79, 2, 41,3 7, рода) 83,9 42,5 53, Урал 76,7 20, 14, 84,6 46,7 3, Нил 15,8 11, 8, 13,9 5, 7,8 2,8 4, 2, Нева 59, 6, 15,2 4, 4,2 1, Байкал 250 Глава 7. БИОСФЕРА Атмосферная влага. Из водяного пара в атмосфере Земли образуются облака, туманы, росы, изморозь, а также жидкие и твердые осадки. Все эти явления объединяют гидросферу с атмосферой.

Единовременно в атмосфере присутствуют 14,0 • 10 3 млрд т воды, но эта часть гидросферы постоянно возобновляется и «течет» вместе с воздушными потоками быстрее, чем вода в реках (нередко со скоростью в десятки метров в секунду), что позволяет водяному пару обогнуть земной шар всего за не­ сколько дней. Масса атмосферной воды мала, но ее значение для гидросферы и биосферы в целом очень велико.

Атмосферная вода всегда пресная, так как она образуется в результате испарения с водной или увлажненной поверхно­ сти, а также при транспирации воды растениями. При этом в воздухе всегда содержится некоторое количество примесей, в число которых входят и водорастворимые вещества. Обра­ зующиеся в воздухе капельки растворяют одни и захватывают другие (нерастворимые) примеси, поэтому возможно выпаде­ ние дождей различного химического состава, наиболее извест­ ными из которых являются кислотные дожди, частой причи­ ной образования которых является присутствие в атмосфере S 0 2, NO x, HC1.

До середины XX в. считалось, что выше тропосферы атмос­ фера сухая. Позже спектрографические исследования пока­ зали, что в слое от высоты 10,5 км и до верхней границы ат­ мосферы воды содержится столько же, сколько и в двухки­ лометровом приземном слое. При этом в высоких слоях атмосферы важно не просто количество воды, а ее роль в про­ текающих разнообразных химических реакциях, определяю­ щих стабильность структуры и термического режима в атмо­ сфере.

На больших высотах в атмосфере вода существует либо в твердом состоянии, либо в виде отдельных молекул, что соот­ ветствует ее состоянию в космосе.

Многократное повторение цикла влагооборота приводит к тому, что ежегодно конденсируется и выпадает в виде осад­ ков примерно в 40 раз больший объем (525 100 млрд т) воды, чем ее одновременно присутствует в атмосфере, т. е. среднее время оборота составляет около 9—10 сут.

7.2. Геосферные оболочки Земли 7.2.3.6. Биологическая вода Масса воды, содержащаяся в живых организмах, оце­ нивается в 1,1 • 10 3 млрд т, т. е. меньше, чем содержат русла всех рек мира. Биоценоз биосферы, заключая в себе относи­ тельно малое количество воды, тем не менее интенсивно прого­ няет ее через себя. Особенно интенсивно это происходит в оке­ ане, где вода является и средой обитания, и источником пита­ тельных веществ и газов.

Основную массу биоценоза планеты составляют продуцен­ ты. В водных экосистемах это водоросли и фитопланктон, а в наземных — растительность. В водной среде растения не­ прерывно фильтруют воду через свою поверхность, а на суше они, как правило, извлекают воду корнями из почвы и удаля­ ют (транспирируют) наземной частью. Так, для синтеза одного грамма биомассы высшие растения должны испарить около 100 г воды.

Наиболее мощные системы транспирации на суше — это леса, которые способны прокачать через себя всю массу воды гидросферы за 50 тыс. лет;

при этом планктон океана про­ фильтровывает всю воду океана за год, а морские организмы все вместе — всего за полгода.

В биосфере работает сложный фильтр фотосинтеза, в про­ цессе которого вода разлагается и вместе с диоксидом углерода используется при синтезе органических соединений, необхо­ димых для построения клеток организмов. Всю массу воды гидросферы фотосинтезирующие живые организмы могут раз­ ложить примерно за 5—6 млн лет, а другие организмы при­ мерно за такой же срок восстанавливают потерянную воду из отмирающей органической массы. Таким образом, биосфера, несмотря на ничтожный объем заключенной в ней воды, ока­ зывается самым мощным и сложным фильтром гидросферы на Земле.

Каскад биологических фильтров пропускает через себя массу воды, равную массе всей гидросферы за время от полу­ года до миллионов лет. Поэтому можно утверждать, что гид­ росфера — это продукт живых организмов, среда, которую они создали сами для себя. Академик В. И. Вернадский вы­ разил это тезисом: «Организм имеет дело со средой, к кото­ рой он не только приспособлен, но которая приспособлена к нему».

252 Глава 7. БИОСФЕРА 7.23.7. Круговорот воды Гидросфера отличается динамичностью, движущей си­ лой которой служит круговорот воды. Круговорот воды между сушей и океаном через атмосферу оказывается весьма сложной системой, включающей частные круговороты и разветвленный каскад фильтров, в том числе биосферный, пройдя через кото­ рый полностью или частично вода в конце концов снова оказы­ вается в основном поверхностном хранилище воды — Мировом океане.

В большинстве случаев для коротких промежутков време­ ни (до десятков лет) можно считать, что обмен водой между ос­ новными составляющими гидросферы сбалансирован. Однако исследования изменений уровня Мирового океана за послед­ ние 100 лет выявили его подъем со скоростью 1 мм в год, что означает ежегодный прирост объема воды на 350 к м 3. Этот процесс может привести к серьезным последствиям — в исто­ рически короткий срок (т. е. практически скачком) уровень океана может повыситься на 5—7 м.

Причин, вызывающих изменение уровня Мирового оке­ ана, много. Среди них как относительно понятные, так и мало­ изученные. Вероятно, есть и такие, о которых пока никто не догадывается и их, следовательно, не учитывают. Одной наи­ более явной причиной является постоянно усиливающийся «парниковый эффект»;

другой достаточно известной причи­ ной — рост массы гидросферы за счет кристаллизации магмы, поступающей из недр Земли в районах рифтовых зон и вулка­ низма, хотя увеличение объема воды в этом случае оценивает­ ся всего в 1 млрд т или 1 к м 3. В целом рост массы гидросферы характерен для ее эволюции.

Круговорот воды — исключительно важное явление, ибо обеспечивает сушу пресной водой, которая все время возобнов­ ляется (рис. 7.19). Под воздействием солнечного тепла вода нагревается и испаряется с поверхности водоемов. Переноси­ мые воздушными течениями пары воды затем конденсируют­ ся и выпадают в виде дождя и снега на сушу и поверхность во­ доемов.

Основная масса испарившейся воды, равная 4,5 • 10 млрд т/г, выпадает на поверхность Мирового океана, так и не попав на континенты. Эта часть круговорота почему-то назы­ вается малой или океанической.

Океаны неодинаково активны во влагообороте. Много воды испаряется с поверхности Индийского океана, поскольку он Снег /, Рис. 7.19. Схема круговорота воды на Земле: / — над океаном;

II — над сушей;

III — над сушей и океаном;

IV — геологический круговорот;

1 — осадочные породы;

2 — граниты, 3 — базальты;

4 — водоупор;

5 — морские осадки;

6 — мантийное вещество 254 Глава 7. БИОСФЕРА преимущественно расположен в тропических и субтропиче­ ских широтах. А в Тихом океане выпадают осадки, превы­ шающие испарения с его поверхности.

Вынесенная на сушу часть испарившейся океанической влаги включается в круговорот воды на суше, где влага испа­ ряется с поверхности всех водоемов — рек, озер, болот и т. д.

Воду испаряют и растения, откачивая ее корнями из грунта.

Порой с поверхности суши, покрытой растительностью, воды может испаряться больше, чем с водной поверхности. Так, эвка­ липт при благоприятных условиях испаряет воды до 150 л/сут, а береза в умеренной полосе — только 20 л за тот же период.

На суше вода неоднократно выпадает в виде осадков, об­ разуя местные круговороты. Благодаря круговороту воды гид­ росфера является планетарной транспортной системой, кото­ рая перемещает продукты эрозии с более высоких на более низкие уровни и в конечном итоге с суши в океан и другие во­ доемы. Вместе с нерастворимыми продуктами эрозии вода пе­ реносит растворенные вещества и органику. За миллиарды лет транспортная система гидросферы вынесла с суши в океан на каждый килограмм воды почти 0,6 кг разрушенных горных пород.

Гидросфера служит также планетарным аккумулятором неорганического и органического веществ, которые приносит­ ся в океан и другие водоемы реками, атмосферными потоками, а также образуются в самих водоемах.

7.2.3.8. Вода как природный ресурс Водные ресурсы — это пригодные для употребления пресные воды. Они заключены в реках, озерах, подземных го­ ризонтах, ледниках. Пары воды в атмосфере, морские воды так же, как и абсолютное большинство полярных льдов и воды наиболее глубоких подземных горизонтов, в настоящее время не применяются и рассматриваются в качестве потенциальных водных ресурсов. Их будущее освоение зависит от совершенст­ вования техники добычи, ее экономической обоснованности, а также от решения часто непредсказуемых негативных эколо­ гических проблем, возникающих при использовании нетради­ ционных источников воды.

Значение воды в мировом хозяйстве огромно. Она нахо­ дит применение во многих отраслях: в энергетике, промыш­ ленном, коммунальном водоснабжении, а т^кже при ороше 7.2. Геосферные оболочки Земли нии сельскохозяйственных угодий. В ряде случаев ее исполь­ зуют не только для водозабора, но и в качестве транспортных магистралей, рекреационных зон, водоемов для рыбного хо­ зяйства.

Доступные водные ресурсы рек слагаются из двух состав­ ляющих — поверхностного и подземного стока.

• Подземная составляющая стока — наиболее цен­ ная в хозяйственном отношении, так как она в меньшей степени подвержена сезонным и суточным колебани­ ям объема. Кроме того, подземные воды реже загряз­ няются. Именно они формируют преобладающую часть «устойчивого» стока, при освоении которого не требу­ ется сооружения специальных регулирующих уст­ ройств.

• Поверхностная составляющая стока включает в себя паводковые и талые воды, обычно быстро проходящие по руслам рек. Общий объем доступных водных ресур­ сов мира оценивается в 41 тыс. км 3 /г, из которых толь­ ко 14 тыс. км 3 /г составляют устойчивую часть.

Современное общемировое потребление пресной воды в 80-х годах прошлого столетия составило 4—4,5 тыс. км 3 /г.

По прогнозам на конец второго тысячелетия будет использо­ ваться ежегодно 5,7 тыс. к м 3 пресной воды, а еще 8,5 тыс. к м 3 — загрязняться сточными водами (объем которых составит 1,3 млн км ), что равно 2 1 % полного или 6 1 % устойчивого стока.

Большой проблемой является то, что пресный водозапас рассредоточен по континентам неравномерно. На год каждый житель Земли в среднем обеспечен 7,5 тыс. м 3 воды. В Европе норма водообеспечения ниже — 4,7, а в Азии всего 3,37 тыс. м 3.

Человечество уже столкнулось с проблемой ограниченности водных ресурсов, а в ряде отдельных регионов планеты ее не­ хватка ощущается особенно остро.

7.2.4. Литосфера Литосфера (от греч. lithos — камень, sphaire — шар) — верхняя «твердая» (каменная) оболочка Земли, постепенно пе­ реходящая с глубиной в сферы с меньшей прочностью вещест­ ва. Она в к л ю ч а е т в себя з е м н у ю к о р у и ч а с т ь в е р х н е й м а н т и и Земли.

256 Глава 7. БИОСФЕРА 7. 2. 4. 1. Строение литосферы Характерная особенность верхней мантии — ее рассло енность (рис. 7.20), установленная геофизическими методами исследований. На глубине около 100 км под материками и 50 км под океанами ниже подошвы земной коры находится ас­ теносфера (от греч. asthenes — слабый, sphaire — шар). Это слой, обнаруженный в 1914 г. немецким геофизиком Б. Гутен­ бергом. В данном слое установлено резкое снижение скорости распространения упругих колебаний, что объясняют размяг­ ченностью вещества в нем. Предполагают, что вещество там находится в твердо-жидком состоянии;

твердые гранулы окру­ жены пленкой расплава.

Выше астеносферы породы мантии находятся в твердом со­ стоянии и совместно с земной корой образуют литосферу. Та­ ким образом, считается, что мощность литосферы составляет 50—200 км, в том числе земной коры — до 75 км на континен­ тах и 10 км под дном океана.

Ниже астеносферы располагается слой, в котором плот­ ность вещества возрастает, что увеличивает скорость распрост­ ранения сейсмических волн. Слой назван в честь русского уче­ ного Б. Б. Голицина, впервые указавшего на его существование.

Предполагается, что он состоит из сверхплотных разновиднос­ тей кремнезема и силикатов.

Земная кора Земная кора Земная кора континентального океанического типа континентального • 1 • 3 Г~1 Ш Рис. 7.20. Строение литосферы и ее положение относительно мантии Земли: 1 — осадочный слой;

2 — гранитный слой;

3 — базальтовый слой;

4 — верхняя мантия 7.2. Геосферные оболочки Земли Верхняя часть земной коры, постоянно видоизменяемая под влиянием механического и химического воздействий по годно-климатических факторов, растений и животных, выде­ ляется в отдельный слой, называемый корой выветривания.

7.2.4.2. Вещественный состав з е м н о й к о р ы Химические элементы. В конце прошлого столетия американский геохимик Фрэнк У. Кларк (1847—1931) задал­ ся целью установить состав земной коры и, проанализировав около 6000 горных пород, в 1889 г. впервые получил среднее содержание различных элементов. В его честь русский геохи­ мик и минералог А. Е. Ферсман предложил среднее содержа­ ние химических элементов в земной коре называть клерками1.

Более поздние исследования показали, что в целом резуль­ таты Кларка были близки к истине.

В настоящее время установлено, что более чем на 80% зем­ ная кора состоит из кислорода, кремния и алюминия (табл. 7.10).

Таблица 7.10.

Кларки наиболее распространенных химических элементов Химический Химический элемент элемент Кларк, % Кларк, % сим­ наименова­ сим­ наименова­ ние ние вол вол О Na 46,6—49,1 Натрий 2,01—2, Кислород Si К 26,0—29,5 Калий 2,35—2, Кремний Al 7,45—8,14 1,79—2, Mg Алюминий Магний н Fe 4,20—5,00 до Водород Железо Ca 2,71—3,63 более 99% Кальций ИТОГО Менее всего земная кора содержит инертных газов — гелия, неона и радона, что связано с их высокой подвижно Термин «кларк» в настоящее время используется также и для ко­ личественной оценки среднего содержания химических элементов в ат­ мосфере, гидросфере, живом веществе биосферы, Земле в целом, горных породах, космических объектах и т. п. Выражается в единицах массы (%, г/т и др.) или в атомных процентах.

9 Экология 258 Глава 7. БИОСФЕРА стью: они легко переходят в атмосферу, откуда рассеиваются в космическом пространстве. Одновременно земная кора по­ полняется космическим веществом, выпадающим в виде мете­ оритов и космической пыли.

Со временем некоторые химические элементы, в частности радиоактивные, трансформируются. На этом основании пред­ полагают, что кларки урана и тория в минувшие геологиче­ ские эпохи были значительно выше, а свинца — ниже, чем сейчас. Это относится ко всем элементам и изотопам, подвер­ женным изменениям. По А. А. Саукову, 2 млрд лет назад ато­ мов изотопа U 2 3 5, имеющего период полураспада 7,1 • 10 8 лет, на Земле было в 6 раз больше, чем сейчас.

Кларки химических элементов в современных горных по­ родах следующие: в среднем в 1 м 3 содержится железа 130 кг, алюминия 230 кг, меди 0,26 кг, олова 0,1 кг. В природе встре­ чаются участки, где фактическое содержание того или иного химического элемента значительно выше его кларкового зна­ чения. Такие участки геологи исследуют с целью поиска мес­ торождений полезных ископаемых.

Минералы. Химические элементы земной коры образуют естественные соединения, состоящие из одного, но чаще всего из нескольких элементов. Минералы (от лат. minera — руда) — однородные по составу, внутренней структуре и свойствам твер­ дые химические соединения. Иногда к минералам относят и жидкие природные вещества — жидкую ртуть, воду, нефть.

Известно более 3 тыс. минералов, большинство из которых являются кристаллами и обычно имеют форму многогранни­ ков. В строении земной коры существенную роль играют всего несколько десятков минералов, называемых породообразую­ щими. Наиболее распространены из них — полевые шпаты (55%), иные силикаты (15%), кварц (12%), различные виды слюды (3%), магнетит и гематит (3%).

Минералы отличаются друг от друга по внешним призна­ кам, к которым относят облик кристаллов, цвет самого мине­ рала, цвет его черты 1, твердость, плотность, спайность 2 и др., а также химическому составу и структуре.

Цвет черты — цвет следа, остающегося на матовой шероховатой поверхности фарфоровой пластины, оцарапанной каким-нибудь минера­ лом. Обычно он совпадает с цветом самого минерала, но иногда резко от­ личается. Так, черный гепатит имеет красную черту.

Спайность — способность минералов раскалываться по ровным плоскостям в определенных кристаллографических направлениях.

7.2. Геосферные оболочки Земли Чем выше природный кларк химического элемента, тем больше минералов, в которые входит этот элемент. Кислород встречается почти в половине известных минералов. Так, большое количество химически связанного кислорода нахо­ дится в силикатах (от лат. silicis — кремень), относящихся к одному из важных классов минералов.

Горные породы. В земной коре минералы группируются в естественные ассоциации — горные породы. Выделяют магма­ тические, осадочные и метаморфические породы.

М а г м а т и ч е с к и е ( и з в е р ж е н н ы е ) г о р н ы е по­ р о д ы. Они образуются при остывании расплавленных магм, поднимающихся из глубин Земли к ее поверхности. Различа­ ют г л у б и н н ы е породы, если магма застыла на глубине, и и з л и в ш и е с я, если остывание произошло уже на по­ верхности. Магматические породы состоят преимущественно из силикатов и алюмосиликатов, наиболее важными компо­ нентами которых являются кремнезем (Si0 2 ) и глинозем (А1 2 0 3 ). Дальнейшая классификация ведется прежде всего в зависимости от содержания в породе кремнезема — ангидрида кремниевой кислоты (табл. 7.11).

Таблица 7. Деление магматических пород по содержанию диоксида кремния Характерные породы Содержание Породы SiO r % глубинные излившиеся Ультраос­ Дунит, пироксе Менее новные* нит, перидотит Базальт, долерит Основные* 40—52 Габбро Диорит Андезит Средние 52— Гранит, граноди Кислые Более 65 Дацит, липарит орит Ультраосновные и основные породы содержат много оснований (со­ единений кальция, магния, железа и др.) и бедны кремнекислотой.

О с а д о ч н ы е г о р н ы е п о р о д ы. Они образуются пу­ тем переотложения на поверхности Земли или на дне морей, озер, болот, рек продуктов разрушения различных коренных 260 Глава 7. БИОСФЕРА пород. Ими покрыто более 75% поверхности континентов.

Осадочные породы накапливались и уплотнялись иногда мил­ лионы лет. С ними связаны такие важнейшие полезные иско­ паемые, как нефть и природный газ, уголь, железо, алюми­ ний, золото и др.

В зависимости от происхождения осадочные породы делят на обломочные, глинистые, химические и биохимические.

Обломочные породы. Это продукты механического разру­ шения коренных горных пород. Их классифицируют по разме­ рам обломков (в мм):

грубообломочные породы более песчаные породы •. ' 0,1—1, алевритовые фракции 0,01—0, Обломочные породы могут быть разделены на рыхлые и сцементированные, а также на угловатые и окатанные (округ­ ленные).

Угловатые грубообломочные породы — древса (1—10 мм), щебень (10—100 мм), глыбы (более 100 мм), а округленные — гравий,галька, валуны.

Рыхлые песчаные породы — пески, а сцементированные — песчаники.

Алеврит (от греч. aleuron — мука) — разновидность рых­ лой осадочной горной породы, по составу является промежу­ точной между песчаными и глинистыми породами. Размер главной массы зерен 0,01—0,1 мм.

Глинистые породы. Они состоят из мельчайших минераль­ ных частиц размерами менее 0,01 мм и содержат свыше 30% тонкодисперсных частиц размером менее 0,001 мм. По мине­ ральному составу глины резко отличаются от типичных обло­ мочных пород, они состоят преимущественно из кремнезема и глинозема.

Глины обладают пластичностью и низкой водопроница­ емостью, благодаря которой они играют роль водоупорных го­ ризонтов подземных вод.

Химические и биохимические породы. Они образуются в результате химических реакций или выпаривания, либо при косвенном участии биологических организмов, а также при концентрации их тел и скелетов. К данной группе относятся такие широко известные породы, как бокситы, фосфориты, бу­ рые железняки, известняки, мел, доломиты, гипс, бурые и ка­ менные угли, горючие сланцы и др.

7.2. Геосферные оболочки Земли М е т а м о р ф и ч е с к и е г о р н ы е п о р о д ы. Они об­ разуются путем глубокого преобразования магматических и осадочных пород под действием огромных давлений и высоких температур на большой глубине. В результате получаются по­ роды, отличающиеся от исходных минералогическим составом.

К метаморфическим породам относятся твердые глинистые и слюдянистые сланцы (получающиеся из мягкой сланцевой глины), мрамор (из известняков), кварциты (из песчаников), яшмы, серпентиниты (из ультраосновных пород) и др. Эти по­ роды обычно более устойчивы к выветриванию, чем другие.

Геологические циклы. Взаимное расположение и очерта­ ние континентов и океанского дна постоянно изменяются.

В пределах верхних оболочек Земли происходит непрерывная постепенная замена одних пород другими, называемая боль­ шим круговоротом вещества. Геологические процессы образо­ вания и разрушения гор являются величайшими энергетиче­ скими процессами в биосфере Земли.

В пределах литосферы горные породы постоянно, хотя и очень медленно, перемещаются, образуя геологические цик Рис. 7.21. Схема геологического цикла Земли (по Дж. Андерсону) 262 Глава 7. БИОСФЕРА лы (рис. 7.21). Геофизические процессы (извержение магмы, вулканическая активность и поднятие крупных блоков земной коры) осуществляются за счет теплоты, выделяющейся в ре­ зультате распада в недрах Земли изотопов калия, урана и то­ рия. Процессы, протекающие на земной поверхности, — эро­ зия, выветривание и перенос осадков, — происходят за счет энергии Солнца, трансформированной в кинетическую энер­ гию ветра и водных потоков, а также в тепловую энергию.

Наиболее быстро движение в геологическом цикле проис­ ходит при извержении вулканов и излиянии лав в районах рифтовых долин. Круговорот осадочного вещества осуществля­ ется за десятки и сотни миллионов лет. В экологическом масш­ табе времени минералы, отложившиеся в глубоководных осад­ ках, можно считать полностью выведенными из круговорота.

7.2.4.3. Учение о почве На поверхности коры выветривания формируется почвен­ ный покров — основа земельного фонда биосферы. Он представ­ ляет собой самостоятельную земную оболочку — педосферу.

Почва — особое органоминеральное естественно-историче­ ское природное образование, сформировавшееся в результате длительного преобразования поверхностных слоев литосферы при совместном взаимообуславливающем воздействии гидро­ сферы, атмосферы, живых и мертвых организмов в различных условиях климата и рельефа в гравитационном поле Земли.

Изучение почв началось в глубокой древности с началом развития земледелия. Впервые мысль о том, что почвы снаб­ жают растения питательными веществами, высказал в XVII в.

французский ученый Б. Палисси. Научные представления о механизме минерального питания растений и роли С 0 2 и N воздуха, а также воды в почве стали развиваться в следующем столетии, чему способствовало развитие естественных и физи­ ко-математических наук. М. В. Ломоносов определял почву как продукт воздействия растений на горные породы, а перег­ ной рассматривал как результат биологических процессов.

На рубеже XVII—XIX вв. на смену теории водного пита­ ния растений пришла гумусовая теория А. Тэера, по которой для питания растений достаточно органических веществ поч­ вы и воды. В целом ошибочная гумусовая теория внесла боль­ шой вклад в науку, ибо привлекла внимание к изучению гуму­ са почв, к травосеянию и органическим удобрениям. А. Тэер — один из основоположников многопольных севооборотов, орга 7.2. Геосферные оболочки Земли низатор первого в истории высшего агрономического учебного заведения.

Немецкий агрохимик Ю. Либих сформулировал минераль­ ную теорию питания растений, согласно которой растения ус­ ваивают из почвы минеральные вещества, а из перегноя — только углерод. Таким образом, запас минеральных веществ в почве ограничен, и каждый новый урожай истощает почву.

Следовательно, для ликвидации дефицита элементов в почву необходимо вносить минеральные удобрения. Введение в прак­ тику сельского хозяйства минеральных удобрений К. А. Тими­ рязев назвал «величайшим приобретением науки». Недоста­ ток теории Ю. Либиха в том, что почва считалась простым ре­ зервуаром элементов питания растений.

Основателем современного почвоведения является русский ученый В. В. Докучаев. Им впервые сформулировано понятие о почве как об особом естественно-историческом теле, разрабо­ таны методы изучения и картографирования почв, заложены основы их генетической 1 классификации. В. В. Докучаев пред­ ложил рассматривать почву как динамическую, а не инертную среду, открыл основные закономерности географического рас­ пространения почв.

7.2.4.4. Химический состав почвы Твердая часть почвы состоит из минеральных и органи­ ческих веществ.

Минеральный состав. Он определяется составом почвооб разующих пород, возрастом почвы, особенностями рельефа, климата и т. д. В состав минеральной части почвы входят Si, Al, Fe, К, N, Mg, Ca, P, S, некоторые микроэлементы Си, Мо, J, В, F, РЬ и др. Подавляющее большинство химических эле­ ментов в почве находится в окисленной форме: Si0 2, A1 2 0 3, F e 2 0 3, K 2 0, N a 2 0, MgO, CaO. В почвах распространены также соли угольной, серной, фосфорной, хлористоводородной и дру­ гих кислот. На основных породах почва более богата Al, Fe, щелочноземельными и щелочными металлами, а на породах кислого состава — Si. В засоленных почвах преобладают хло­ риды и сульфаты кальция, магния, натрия.

Генетическая (от греч. genesis — происхождение, возникновение), потому что учитывает условия возникновения и формирования почв и в свою очередь отражает эти условия.

264 Глава 7. БИОСФЕРА Органический состав. Он формируется из соединений, со­ держащихся в большом количестве в растительных и живот­ ных остатках. Это белки, углеводы, органические кислоты, жиры, лигнин, дубильные вещества и др., в сумме составляю­ щие 10—15% от всей массы органического вещества в почве.

При разложении органических веществ содержащийся в них азот переходит в формы, доступные растениям. Органические вещества играют важную роль в почвообразовании, определяют величину поглотительной способности почв, воздействуют на структуру верхних горизонтов почвы и ее физические свойства.

Органическое вещество почвы образуется при разложении мертвых организмов, их частей (например, опавших листьев), фекалий и т. п. Мертвый органический материал используется в пищу совместно детритофагами и редуцентами (грибами и бактериями), завершающими процесс разложения. Не полно­ стью разложившиеся остатки органики называют подстилкой, а конечный продукт разложения, в котором невозможно раз­ личить первоначальный материал, — гумусом.

Гумус — аморфное органическое вещество почвы, образую­ щееся в результате разложения растительных и животных ос­ татков и продуктов жизнедеятельности организмов, причем утратившее тканевую структуру 1.

По химическому составу — это сложная смесь разнообраз­ ных органических молекул. Гумус состоит из гуминовых кис­ лот, фульвокислот, гумина и ульмина;

имеет цвет от темно-бу­ рого до черного.

По агрегатному состоянию гумус похож на глину;

и то и другое находится в коллоидном состоянии. Отдельные его частицы прочно прилипают к глине, образуя глино-гумусовый комплекс. Гумуса в верхних горизонтах почвы содержится от десятых долей до 18% (в черноземных почвах), а мощность гумусовых горизонтов от нескольких сантиметров до 1,5 м.

Формирование урожаев связано с большим расходом био­ генных элементов почв, распадом гумуса. Так, на урожай зер­ новых, равный 50 ц/га, расходуется не менее 10 ц гумуса или 0,03% массы пахотного слоя.

Иногда в качестве синонима «гумусу» указывается термин «перег­ ной», однако это не точно. Перегной в понимании «грубый гумус» допус­ кает наличие остатков организмов, не утративших тканевую структуру, а перегной в широком смысле даже не исключает наличие в нем живых организмов — низших (микроорганизмов) и высших (личинок насеко­ мых и др.).

7.2. Геосферные оболочки Земли Гумификация — процесс превращения органических остат­ ков в ходе биохимических реакций при затрудненном доступе кислорода в темно-окрашенные высокомолекулярные вещества, в основном в гуминовые и близкие к ним кислоты. В процессе г у ­ м и ф и к а ц и и п р о и с х о д и т н е т о л ь к о р а з л о ж е н и е, н о и с и н т е з ор­ г а н и ч е с к и х веществ.

Для формирования гумуса необходим дренаж почвы, так как при переувлажнении разложение идет очень медленно из-за нехватки кислорода, препятствующей росту аэробных редуцентов. В таких условиях растительные и животные ос­ татки сохраняют свою структуру и, спрессовываясь, образуют торф.

Одновременно с гумификацией многие жизненно важные элементы переходят из органических соединений в неоргани­ ческие, например, азот в ионы аммония (NH4), фосфор в орто фосфат-ионы (Н 2 РО^), сера в сульфат-ионы (SO|~), т. е. идет процесс минерализации. Углерод высвобождается в процессах дыхания и в виде С 0 2 поступает в атмосферу.

7.2.4.5. Профиль почвы В результате перемещения и превращения веществ почва любого типа расчленяется на отдельные слои или горизонты, сочетание которых составляет профиль почвы (рис. 7.22).

Во всех типах почв самый верхний горизонт A v который имеет относительно темный цвет, называют гумусовым или перегнойно-аккумулятивным. В нем располагается большая часть корней растений. Избыток или недостаток гумуса опре­ деляет плодородие почвы. Мощность гумусового горизонта колеблется в широком интервале от 10—30 до 100—300 мм и более.

В верхнем слое почвы пашни в результате регулярной об­ работки формируется пахотный гумусовый горизонт с ровной, параллельной поверхности границей на глубине 200—250 мм.

На лугах и сенокосах верхняя часть гумусового горизонта мо­ жет плотно переплетаться с корнями живых травянистых рас­ тений, образующих дернину. Выше горизонта А х иногда нахо­ дится горизонт А 0, состоящий из разлагающихся раститель­ ных остатков: лесной подстилки, степного войлока и т. п.

В лесных почвах под горизонтом А х залегает малоплодо­ родный подзолистый1 (элювиальный) горизонт А2, имеющий Под цвет золы.

266 Глава 7. БИОСФЕРА Ао А, А В с D Рис. 7.22. Характерный профиль (схематический разрез) почвы светлый оттенок, непрочную структуру и пылеватое строение.

В черноземных, темно-каштановых, каштановых и других ти­ пах почв этот горизонт отсутствует. В нечерноземной зоне он зачастую начинается от поверхности. Присутствие горизонта А 2 свидетельствует о том, что верхние слои почвенного профи­ ля бедны элементами питания, имеют кислую реакцию.

Подзолистый горизонт обладает низким плодородием, ибо кислые растворы, поступающие из верхнего горизонта, выно­ сят из него все металлы (кальций, магний, марганец, железо, алюминий). Остается лишь кварц, имеющий белесую окраску.

На пашне подзолистый горизонт может быть разрушен при об­ работке и вовлечен в пахотный г о р и з о н т А п а х.

Из горизонта А (А0 + Ау + А2) часть химических соедине­ ний вымывается вниз в горизонт В — горизонт вмывания (иллювиальный). Там поступающее сверху вещество (ил, орга­ ническое вещество, железо, другие металлы) накапливается и преобразуется.

Ниже расположен почвенный горизонт С — материнская порода, измененная почвообразующим процессом, под кото­ рой залегает горизонт D — исходная горная порода, не затро­ нутая почвообразованием. Материнская порода обычно залега­ ет на глубине более 1 м (если почва не заболочена).

7.2. Геосферные оболочки Земли Все горизонты почвы представляют собой смесь минераль­ ных и органических элементов в различных сочетаниях. При избыточной увлажненности почвы ее генетические горизонты модифицируются и превращаются в глеевый, оглеенный или торфяный.

Глеевый горизонт G служит индикатором постоянного или очень длительного переувлажнения и имеет характерную хо­ лодную окраску — синеватую, серо-сизую или голубоватую.

Он практически не корнеобитаем, постоянно обводнен, в нем отсутствует кислород.

Если горизонт подвергается относительно непродолжитель­ ному переувлажнению и сохраняет признаки основного генети­ ческого горизонта (например, подзолистого, иллювиального и др.), то он как бы маркируется признаками периодического за­ стоя избыточной влаги. Такой горизонт называется оглеенным и обозначается индексом g совместно с основным индексом го­ ризонта, например Bg. В оглеенных горизонтах плохо развива­ ются корни растений, сельскохозяйственные культуры подвер­ гаются угнетению и гибнут. Характерным примером может служить почва со следующим чередованием генетических гори­ зонтов: Av А2 В, Bg, G, или гумусовый, подзолистый, иллюви­ альный, иллювиальный оглеенный, глеевый.

Активное переувлажнение приводит к накоплению в по­ верхностных горизонтах органических остатков. Если их по массе более 30%, существуют растительные волокна, также различимы остатки растений-торфообразователей, то форми­ руется торфяный горизонт Т. Нередко мощность слоя торфа достигает 2—4 м, но чаще 1—2 м. Часть торфа, имеющая кон­ такт с воздухом, окрашена в черный цвет, как и осушенная толща торфяных почв. Ниже постоянного уровня грунтовых вод торф имеет желтоватый, бурый или соломистый цвет.

Помимо перечисленных, наиболее распространенных гене­ тических горизонтов, выделяют и иные специфические гори­ зонты, которым характерно, например, повышенное содержа­ ние карбонатов (карбонатный горизонт), железа (рудяковый горизонт), извести (известковый горизонт) и др.

7.2.4.6. Почвообразование В своей классической работе о почвах России в 1870 г.

В. В. Докучаев определил главные почвообразующие факторы, а именно: климат, геологические условия (материнскую поро­ ду, топографию (рельеф), живые организмы и время (рис. 7.23).

268 Глава 7. БИОСФЕРА Рис. 7.23. Схема взаимодействия четырех почвообразующих факторов (по Н. Грину, У. Стауту, Д. Тейлору). Влияние времени в схеме не отражено Физическое и химическое разрушение материнской поро­ ды под влиянием климата и в меньшей степени живых орга­ низмов называется выветриванием. Основными факторами, вызывающими выветривание, являются вода и температурные колебания, поэтому осадки (дождь и снег) и температурный режим — два главных климатических фактора почвообразо­ вания.

Влияние топографии связано с тем, что на различной высо­ те, при различной крутизне и экспозиции склона условия раз­ личны.

Живые организмы образуют органические компоненты почвы (подстилку и гумус). Деятельность почвенных детрито фагов зависит от растительности. При прохождении через пи­ щеварительный тракт дождевого червя минеральные и органи­ ческие компоненты измельчаются и перемешиваются, что улучшает структуру почвы. Ходы детритофагов и мелких по­ звоночных животных улучшают аэрацию и облегчают рост корней.

Важное значение для образования почвы имеет время.

Скорость этого процесса в умеренном климате различна — мо­ жет потребоваться от нескольких десятилетий (при формиро 7.2. Геосферные оболочки Земли вании почвы на вулканическом пепле) до нескольких тысяч лет (на обнаженной поверхности скальных пород).

Почва постоянно развивается и изменяется, вследствие че­ го существует большое разнообразие ее типов. Тип почвы в конкретной местности имеет большое значение для человека, так как от него зависит урожайность сельскохозяйственных культур. Главнейшими типами почв России являются тундро­ вые, подзолистые почвы таежно-лесной зоны (наиболее рас­ пространенные), черноземы, серые лесные почвы, каштановые почвы (к югу и востоку от черноземных), бурые (в сухих сте­ пях и полупустынях), красноземы, солончаки.

7.2.4.7. Почва как компонент б и о с ф е р ы Плодородие — способность обеспечивать рост и развитие растений. Это важнейшее свойство почвы играет первостепен­ ную роль в жизни человека, но ее уникальная ценность не ог­ раничивается сферой сельскохозяйственного производства.

Почва является главным звеном всех наземных биоцено­ зов и биосферы Земли в целом, а также одним из основных природных ресурсов.

Плодородие обусловлено суммой всех свойств почвы, среди которых особо выделяют поглотительную способность — свой­ ство удерживать питательные вещества в зоне корневых сис­ тем. Учение о поглотительной способности почв разработал со­ ветский ученый К. К. Гедройц (1933), выделивший несколько типов поглотительной способности почв: механическую, моле кулярно-сорбционную, ионно-сорбционную и биологическую.

Совокупность физических и химических свойств почвы, спо­ собность экологически воздействовать на живые организмы име­ ет существенное значение для постоянных или временных обита­ телей почвенного покрова и прежде всего для животных. Почва представляет собой опорный субстрат для большинства назем­ ных и водных видов растительных организмов, и из нее они по­ лучают необходимые для жизни минеральные вещества и воду.

Основные почвообразующие факторы (климат и раститель­ ность) распределяются на поверхности нашей планеты в виде поясов или зон, вытянутых более или менее параллельно ши­ ротам. В связи с этим почвы располагаются по земной поверх­ ности зонально.

Во все геологические периоды почвенный покров подвер­ гался воздействию естественных сил природы: размыванию, разрушению и созиданию, а в связи с расширением масштабов 270 Глава 7. БИОСФЕРА и интенсификацией хозяйственной деятельности человека это воздействие усиливается.

Сохранение почвенного покрова Земли — необходимое ус­ ловие обеспечения и поддержания экологического равновесия в биосфере.

7.2.5. Магнитосфера Земля представляет собой как бы огромный магнит, во­ ображаемая ось которого лежит близко к оси вращения плане­ ты. Магнитосфера — это зона проявления магнитных свойств космического тела. Геомагнитное поле относится к естествен­ ным электромагнитным полям и, как и гравитационное поле, является всепроникающим и всеохватывающим физическим фактором, миллиарды лет влиявигем на эволюцию организмов биосферы и на процессы, происходящие на Земле и в окру­ жающем ее пространстве в наши дни.

Магнитное поле Земли простирается на 70—80 тыс. км по направлению к Солнцу и на многие миллионы километров в противоположном направлении (рис. 7.24).

Магнитосфера оказывает сильное воздействие на движу­ щиеся в космическом пространстве в сторону Земли заряжен­ ные электрические частицы (солнечный ветер). Часть этих частиц (электронов и прото­ нов) удерживается магнито­ сферой, образуя огромное кольцо или радиационный по­ яс Земли, охватывающий на­ шу планету вокруг геомагнит­ ного экватора. Магнитосфера отделена от межпланетного пространства магнитопаузой, вдоль которой солнечный ве­ тер обтекает планету.

Заряженные частицы в магнитном поле движутся по-разному, в зависимости от Рис. 7.24. Строение магнитосферы соотношения плотностей маг­ Земли: 1 — магнитопауза;

нитной и кинетической энер­ 2 — Земля;

3 — радиационный гий. На расстоянии около пояс;

4 — фронт ударной волны;

земных радиусов поток заря­ 5 — переходная область;

6 — женных частиц встречает силь плоскость геомагнитного экватора 7.2. Геосферные оболочки Земли ное магнитное поле, и под действием силы Лоренца изменяет­ ся направление их движения. В целом движение становится колебательным по спиральной траектории вдоль силовых ли­ ний магнитного поля из Северного в Южное полушарие и об­ ратно. В зависимости от энергии и величины заряда частицы совершают полный оборот вокруг Земли за время от несколь­ ких минут до суток.

Исследование космоса показывает, что магнетизм Земли — явление уникальное. На Луне и в ее окрестностях не обнару­ жено усиления магнитного поля по сравнению с окружающим ее пространством. На Марсе и Венере магнитное поле соответ­ ственно в тысячи и десятки тысяч раз слабее земного. Юпитер и Сатурн обладают протяженными магнитосферами.

В соответствии с современной теорией существование и форма магнитосферы Земли определяются ее внутренним строением, значительно отличающимся от строения иных пла­ нет. В процессе эволюции нашей планеты происходило посте­ пенное изменение (уменьшение) скорости вращения, при этом различные ее слои, имея разную плотность, тормозились по-разному. Проскальзывание менее плотного слоя мантии по более плотному ядру привело к образованию своеобразного природного генератора, создающего с тех пор магнитное поле Земли. Поскольку скорость вращения планеты вначале была большей, то геомагнитное поле тогда было более мощным, чем в наши дни. Так, в пермский период год на Земле имел 380, а в девонский — 430 сут.

Жизнь тесно связана с электромагнитными явлениями и без них невозможна. Считается, что без магнитного поля жизнь на Земле вообще не развивалась бы, без сол­ нечной энергии, воды или некоторых химических элементов.

Возникающие время от времени геомагнитные возмущения влияют на физико-химические процессы и через них — на на­ правленность биохимических реакций. Во многих случаях магнитное поле определяет и поведение живых существ. Уста­ новлено, что дикие животные избегают линий электропередач высокого напряжения, а олени и серны отказываются есть корм из кормушек, расположенных под ними даже в самые су­ ровые периоды бескормицы. Для человека неблагоприятно резкое изменение характера воздействия магнитного поля, в частности, связанное с быстрым перемещением из одной точки планеты в другую, и особенно если это перемещение происхо­ дит с запада на восток.

272 Глава 7. БИОСФЕРА Изменения в геомагнитном поле обусловлены в основном солнечной активностью. Когда на Солнце происходит вспыш­ ка, то в сторону Земли вырывается поток солнечной плазмы.

Проникая в магнитосферу, солнечный ветер резко повышает температуру частиц в верхних слоях атмосферы и способствует дополнительной ионизации, меняющей условия распростране­ ния радиоволн, возбуждающей свечения (наблюдаемые в виде полярных сияний) и магнитные бури. В годы активного Солн­ ца плотность потока энергии солнечного ветра усиливается, граница радиационного пояса отодвигается и препятствие для космических лучей увеличивается.

Радиационный пояс Земли представляет серьезную опас­ ность для экипажей космических кораблей при длительных полетах в околоземном пространстве, а также выводит из строя оптические приборы и солнечные батареи.

Наряду с закономерным изменением характеристик маг­ нитного поля по земной поверхности имеют место глобальные, региональные и локальные особенности или аномалии, неко­ торые из которых используют в качестве поисковых призна­ ков полезных ископаемых, прежде всего железной руды.

Развитие науки и техники ведет к появлению разнообраз­ ных мощных искусственных электромагнитных полей и зна­ чительному локальному нарушению естественного магнитного поля планеты. Наличие глобального влияния антропогенной деятельности на магнитосферу пока не установлено.

7.3. Живое вещество биосферы Живое вещество — краеугольный камень учения о био­ сфере В. И. Вернадского, который акцентировал внимание на биогеохимической специфике этого образования следующим образом:

на земной поверхности нет химической силы более по­ стоянно действующей, а потому более могущественной по своим конечным последствиям, чем живые организ­ м ы, взятые в целом».

В настоящее время описано около 300 тыс. видов растений и более 1,5 млн видов животных. Из них 93% представлено су­ хопутными, а 7% — водными видами животных. Суммарная биомасса организмов сухопутных видов образована на 99,2% зелеными растениями (2,4 • 10 т) и на 0,8% животными 7.3. Живое вещество биосферы и микроорганизмами (0,2 • 1 0 т). В океане, напротив, расте­ ния составляют 6,3% (0,2 • 10 9 т), а животные и микроорганиз­ мы — 93,7% (0,3 • 1 0 1 0 т) совокупной биомассы. Несмотря на то что океан покрывает более 70% поверхности планеты, в нем содержится лишь 0,13% биомассы всех живых существ, оби­ тающих на Земле.

Расчеты специалистов показали, что растения составляют около 2 1 % всех учтенных видов. Однако на их долю приходит­ ся более 99% биомассы, тогда как на долю животных — менее 1% биомассы. Среди животных 96% видов составляют беспоз­ воночные и только 4% — позвоночные, среди которых мле­ копитающие составляют примерно 10%. Эти соотношения ил­ люстрируют фундаментальную закономерность, а именно — в биосфере количественно преобладают формы, имеющие ни­ зкое качество развития (достигшие в процессе эволюции отно­ сительно низких степеней морфофизиологического прогресса).

7. 3. 1. Свойства и функции живого в биосфере Живое вещество характеризуется определенными свой­ ствами:

• стремление заполнить собой все окружающее про­ странство — «давление жизни» по Н. Ф. Реймерсу.

Способность быстрого освоения пространства связана к а к с интенсивным размножением (некоторые простей­ шие формы организмов могли бы освоить весь земной шар за несколько часов или дней при отсутствии факто­ ров, ограничивающих их потенциальные возможности размножения), так и со способностью организмов ин­ тенсивно увеличивать поверхность своего тела или обра­ зуемых ими сообществ. Так, площадь листьев растений на 1 га составляет 8—10 га и более;

• возможность произвольного перемещения в простран­ стве, например, против течения воды, силы тяжести, ветра и т. п.;

• наличие специфических химических соединений (бел­ ков, ферментов и др.), устойчивых при жизни и быстро разлагающихся после смерти;

• исключительное разнообразие форм, размеров, соста­ вов, а также высокая способность адаптироваться к ус­ ловиям существования, значительно превышающие 274 Глава 7. БИОСФЕРА контрасты в неживом (косном) веществе. Так, некото­ рые организмы существуют при температурах, близких к абсолютному нулю (-273 °С), а другие — до +250 °С, иные микроорганизмы встречаются в охлаждающих во­ дах атомного реактора, в ледовых панцирях планеты, в бескислородной среде и т. д.;

• феноменально высокая скорость протекания реакций на несколько порядков (в сотни, тысячи и даже милли­ оны раз) быстрее, чем в неживой природе планеты. Кос­ венно это свойство можно оценить по скорости перера­ ботки веществ организмами в процессе жизнедеятель­ ности, например, у наиболее активных организмов — грунтоедов. Так, весь однометровый слой почвы плане­ ты проходит через организмы дождевых червей (масса которых в 10 раз больше массы всего человечества) все­ го за 150—200 лет. Организмы с фильтрационным ти­ пом питания проводят колоссальную работу, очищая весь океан от взвеси каждые четыре года, а веслоногий рачок — эпишура за год процеживает воду озера Байкал трижды;

• высокая скорость обновления живого вещества — для биосферы в среднем она составляет 8 лет, причем для суши — 14 лет, а для океана, где преобладают организ­ мы с коротким сроком жизни (например, планктон), — 33 дня. Таким образом, за всю историю существова­ ния жизни общая масса живого вещества, прошедшего через биосферу, примерно в 12 раз превышает массу Земли.

Деятельность живого вещества в биосфере в определенной степени условно можно свести к нескольким основопола­ гающим функциям, дополняющим представление о его преоб­ разующей биосферно-геологической деятельности. В. И. Вер­ надский выделял девять функций: газовую, кислородную, окислительную, кальциевую, восстановительную, концентра­ ционную и др. Позже классификация была несколько видоиз­ менена (часть функций объединена, часть переименована).

Наиболее современной является классификация А. В. Лапо, по которой выделяют следующие функции: энергетическую;

газовую;

окислительно-восстановительную;

концентрацион­ ную;

деструктивную;

транспортную;

средообразующую;

рассе­ ивающую.

Свойства живого вещества определяются большой кон­ центрацией (большими запасами) энергии в нем.

7.3. Живое вещество биосферы 7.3.2. Физико-химическое единство живого При всем разнообразии живое вещество физико-хими­ чески едино, имеет одни и те же эволюционные корни. В при­ роде нет такого вида, который бы реагировал на некое химиче­ ское или физическое воздействие качественно иначе, чем орга­ низмы других видов 1.

Существует лишь количественная разница, например, в чув­ ствительности организмов к у-излучению (табл. 7.13).

Таблица 7. Величина поглощенной дозы у-излучения, при которой через 30 дней погибает 50% организмов Поглощенная Поглощенная Организм доза облуче­ Организм доза облуче­ ния, Гр" ния, Гр Овцы 200 Мыши 600— Козы 350 Птицы, рыбы 800— Собаки 250—400 Насекомые 10 Морские свинки 400 Змеи 20 Люди 400 Улитки 20 Обезьяны 250—600 Амебы 100 Крысы 700—900 Растения 1000—150 * Приведенные значения являются в определенной мере завышенны­ ми. Например, доза в 2 Гр убивает эмбрионы многих насекомых, доза в 50 Гр приводит к полному бесплодию этих животных, и только с 1000 Гр поглощенная доза становится смертельной для взрослых особей.

Поглощенная доза ионизирующего излучения — это отношение средней энергии, переданной излучением веществу, находящемуся в эле­ ментарном объеме, к массе вещества в этом объеме. Единица измерения в системе СИ — грей (Гр);

1 Гр = Д ж / к г.

Стратегия химической борьбы с «вредителями» изначально осно­ вывалась на неверных исходных рассуждениях. Нет и не может быть пес­ тицида, гибельного для вредителей полей и безвредного д л я человека.

Поэтому с самого начала следовало искать быстро разлагающиеся ядохи­ м и к а т ы, которые бы не попадали в пищу человека и вообще минимально контактировали с людьми.

276 Глава 7. БИОСФЕРА Закон физико-химического единства живого вещества имеет важное практическое значение для человека. Из него следует:

• нет такого физического или химического агента (аби­ отического фактора), который был бы гибелен для од­ них организмов и абсолютно безвреден для других.

Разница лишь количественная — одни организмы более чувствительны, другие менее, одни в ходе отбора быст­ рее приспосабливаются, а другие медленнее (приспособ­ ление идет в ходе естественного отбора, т. е. за счет тех, что не смогли адаптироваться к новым условиям);

• количество живого вещества биосферы в пределах рас­ сматриваемого геологического периода есть констан­ та — таков закон константности количества живого ве­ щества В. И. Вернадского. И действительно, согласно закону биогенной миграции атомов, живое вещество яв­ ляется посредником между Солнцем и Землей. Если бы количество живого вещества колебалось, то энергетиче­ ское состояние планеты было бы непостоянно. Такое за время эволюции жизни на Земле случалось, но очень редко;

• общее видовое разнообразие в биосфере есть констан­ та — число нарождающихся видов в среднем равно числу вымирающих. Процесс вымирания видов был не­ избежен из-за изменения условий жизни на планете.

Причем вид никогда не исчезает в одиночку, он «тянет за собой» еще порядка 10 других видов, уходящих вмес­ те с ним. На их место, согласно правилам экологиче­ ского дублирования, приходят другие виды, особенно в управляющем звене экосистем — среди консументов.

Поэтому во все геологические периоды массового выми­ рания организмов наблюдалось и бурное видообразова­ ние.

7.3.3. Биогеохимические циклы Живое вещество по массе составляет 0,01—0,02% от косного вещества биосферы, однако играет ведущую роль в био­ геохимических процессах.

Ежегодная продукция живого вещества в биосфере состав­ ляет 232,5 млрд т сухого органического вещества. За то же время на планете фотосинтезируется 1 1 5 * 1 0 9 т сухого орга­ нического вещества и 123 • 10 9 т кислорода. Для этого требу 7.3. Живое вещество биосферы ется, чтобы 1 7 0 - 1 0 т диоксида углерода прореагировало с 68 • 10 9 т воды. В процесс вовлекаются 6 • 10 9 т азота, 2 • 10 9 т фосфора, а также такие элементы, как калий, кальций, сера, железо.

Живое вещество является наиболее активным компонен­ том биосферы. Оно осуществляет гигантскую геохимическую работу, преобразовывая другие оболочки Земли в геологиче­ ском масштабе времени.

Все химические элементы живой материи циркулируют в биосфере по характерным путям, переходя из внешней среды в организмы, а затем возвращаясь во внешнюю среду. Эти в большей или меньшей степени замкнутые пути называют био­ геохимическими циклами (или круговоротами), причем «био» относится к живым организмам, а «гео» — к горным породам, воздуху и воде. Термин «биогеохимия» предложен академиком В. И. Вернадским.

В каждом цикле различают две части или два фонда:

• резервный фонд — большая масса медленно движущих­ ся веществ, в основном небиологический компонент;

• подвижный, или обменный, фонд — меньший, но более активный, для которого характерен быстрый обмен меж­ ду организмами и их непосредственным окружением.

Для биосферы в целом все биогеохимические круговороты делят на круговорот газообразных веществ с резервным фон­ дом в атмосфере или гидросфере (океан) и осадочный цикл с резервным фондом в земле.

На рис. 7.25 показана схема биогеохимического цикла в со­ четании с упрощенной схемой однонаправленного потока энер­ гии, приводящего круговорот вещества в движение. В природе, в отличие от данной схемы, элементы никогда не бывают рас­ пределены по экосистеме равномерно и не находятся всюду в одной и той же химической форме. Резервный фонд (часть кру­ говорота, физически или химически отделенная от организмов) обозначен как фонд элементов питания, а обменный фонд изо­ бражен в виде заштрихованного кольца, идущего от автотрофов к гетеротрофам и затем возвращающегося к автотрофам.

Наличие больших резервных фондов (в виде атмосферы или океана) в круговоротах углерода, кислорода и азота спо­ собствует быстрой саморегуляции соответствующих биогеохи­ мических циклов при различных местных нарушениях. Так, избыток С 0 2, образовавшийся из-за интенсивного горения, до­ статочно быстро рассеивается в атмосфере и, кроме того, уси­ ленное образование диоксида углерода компенсируется увели 278 Глава 7. БИОСФЕРА Поглощенный свет Рис. 7.25. Схема биогеохимического круговорота (заштрихованное коль­ цо), совмещенная со схемой однонаправленного потока энергии (по Ю. Одуму): Р — валовая продукция;

Р п — чистая первичная продук­ ц и я, которая может быть потреблена гетеротрофами в данной экосистеме либо экспортирована, например, для нужд человека;

R — дыхание;

Р — вторичная продукция чением его потребления растениями или превращением в кар­ бонаты в море. Поэтому считается, что круговороты веществ, включающие в себя большие атмосферные фонды, в глобаль­ ном масштабе хорошо зарезервированы или, по выражению Ю. Одума, «хорошо забуферены», так как их способность при­ спосабливаться к изменениям велика. В результате саморегу­ ляции по принципу обратной связи подобные биогеохимиче­ ские циклы достаточно совершенны. Тем не менее саморегуля­ ция даже при таком громадном резервном фонде, каким является атмосфера, имеет свои пределы.

Осадочным циклам характерно, что основная масса веще­ ства сосредоточена в относительно малоподвижном и малоак­ тивном резервном фонде — в земной коре. Поэтому круговорот таких элементов, как фосфор или железо, значительно менее самоконтролируем и достаточно легко нарушается даже при небольших местных помехах.

7.4. Эволюция — история жизни Антропогенное вмешательство в биосферные процессы по­ рой так ускоряет движение многих веществ, что их круговоро­ ты становятся значительно менее совершенными или процесс теряет цикличность. Складываются различные противоестест­ венные ситуации, например, в одних местах возникает недо­ статок каких-либо веществ, а в других — их избыток. В част­ ности, добыча и переработка фосфатных пород ведется столь несовершенно, что вблизи шахт, карьеров и заводов создается сильное локальное загрязнение. Кроме того, в сельском хозяй­ стве используется все больше и больше фосфорных удобрений, а неизбежное попадание фосфатов в водоемы, за которым сле­ дует их эвтрофикация (см. разд. 6.4.2.5), никак не контроли­ руется.

При оценке влияния деятельности человека на биогеохи­ мические циклы важное значение имеют сравнительные объ­ емы резервных фондов. Изменениям подвергаются в первую очередь самые малообъемные фонды.

Усилия по охране природных ресурсов в конечном счете должны быть направлены на то, чтобы превратить нецикличе­ ские процессы в циклические. В связи с этим о с н о в н о й целью должно быть возвращение веществ в к р у г о в о р о т, обеспечивающее их повторное использование.

7.4. Эволюция1 — история жизни Существует множество разнообразных теорий проис­ хождения Вселенной, Земли и жизни на ней. Их достоверность постоянно подвергается сомнению, они все время проверяют­ ся, совершенствуются, уточняются в соответствии с «сегод­ няшними» взглядами и последними достижениями науки.

Среди воззрений возникновения Вселенной во второй по­ ловине XX в. были наиболее распространены гипотезы:

• стационарного состояния — Вселенная существовала извечно;

• большого взрыва (с последующим расширением, про­ должающимся и ныне);

Термин «эволюция» (от лат. evolutio — развертывание) широко применяется в науке. Говорят об эволюции атомов, галактик, Земли, ма­ ш и н, общества, методов познания и многого другого, подразумевая по­ следовательность изменения исходного состояния во времени, приводя­ щее к возникновению чего-то нового.

280 Глава 7. БИОСФЕРА • родилась в одной из черных дыр;

• создана Творцом.

До сих пор наука не опровергла идею божественного сотво­ рения Вселенной, а теология (от греч. theos — бог и logos — учение) не отрицает возможность того, что современные черты жизни приобретены ей в процессе развития на основании зако­ нов природы. На почтовой марке, выпущенной в США в честь астронавтов, первыми ступившими на Луну, сделана надпись:

«В основе всего Бог». Вера в Божественное начало мира не ме­ шает американским ученым быть в группе лидеров мировой науки. На практике наука и религия не всегда взаимоисклю­ чают друг друга, о чем свидетельствует значительное число ученых, придерживающихся религиозных убеждений.

Тем не менее и в начале третьего тысячелетия основы этих теорий остаются умозрительными, так как не удается в сколь нибудь наглядном виде воспроизвести события, происходив­ шие при возникновении жизни. Это относится как к научным, так и к теологическим (религиозным) построениям. Однако од­ на из теорий — это теория эволюции, она все больше и больше характеризуется как совокупность ряда научных гипотез, каждая из которых поддается проверке.

7. 4. 1. Земля во Вселенной 7. 4. 1. 1. Вселенная Вселенной принято называть весь существующий мате­ риальный мир, безграничный во времени и пространстве и бес­ конечно разнообразный по формам, которые принимает мате­ рия в процессе своего развития. Часть Вселенной, доступная исследованиям астрономическими методами, соответствую­ щими современным достижениям науки, называют Метага­ лактикой. Она состоит из нескольких десятков миллиардов галактик — гигантских звездных систем, содержащих сотни миллиардов звезд.

Галактика, к которой принадлежит Солнце, называется Млечный Путь. Она содержит:

• не менее 100 млрд звезд с общей массой около 10 1 1 масс Солнца;

• межзвездное вещество — газ и пыль, масса которых со­ ставляет около 5% массы всех звезд;

• космические лучи, магнитные поля, излучения (фото­ ны).

7.4. Эволюция — история жизни Центр (ядро) нашей Галактики находится от Земли в на­ правлении созвездия Стрельца.

Пространство между галактиками представляет собой газ, который состоит из атомов, молекул, частиц пыли ( - 1 % массы межзвездного вещества) и пронизывается быстрыми потоками элементарных частиц — космическими лучами и электромаг­ нитным излучением преимущественно рентгеновского диапа­ зона частот. Концентрация этого газа мала — в среднем около 100 атомов водорода на литр, но общая масса его во Вселенной огромна и сопоставима с суммарной массой всех галактик.

Крупномасштабная структура Вселенной в соответствии с современными представлениями такова. Области повышен­ ной концентрации галактик и галактических систем череду­ ются в пространстве с обширными областями относительной пустоты, имеющими размеры в сотни миллионов световых лет. Звездное небо долгое время было для человека символом незыблемости и вечности. В Новое время люди узнали, что «неподвижные» звезды движутся, причем с огромными ско­ ростями. В XX в. человечество осознало еще более странный факт — расстояния между звездными системами (галактика­ ми), не связанными друг с другом силами тяготения, постоян­ но увеличиваются. При этом вся Вселенная постоянно расши­ ряется.

Идея о расширении Вселенной из сверхплотного состояния была выдвинута в 1927 г. бельгийским астрономом Ж. Лемет ром (1894—1966), а предположение о том, что первоначально вещество было очень горячим, высказано в 1946 г. русским ученым Г. А. Гамовым (1904—1968), с 1934 г. жившим и рабо­ тавшим в США.

Картина расширяющегося мира была предсказана теоре­ тически еще до того, как была обнаружена наблюдениями.

Pages:     | 1 |   ...   | 2 | 3 || 5 | 6 |   ...   | 10 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.