Общая характеристика биосферы

Понятие биосферы впервые было введено австрийским ученым геологом Эдуардом Зюссом в 1875 году. Понятие биосферы имеет два аспекта: с одной стороны как специфическая оболочка земного пространства, с другой - как глобальная экосистема. С точки зрения составляющих компонентов биосфера - это нижняя часть атмосферы, гидросфера и верхняя часть литосферы, населенные живыми организмами.

Атмосфера- наиболее легкая оболочка нашей планеты, граничащая с космическим пространством. Атмосфера – газовая оболочка, окружающая Землю. Химический состав атмосферы (для сухого воздуха) включает в себя: азота 78.08 % об., кислорода – 20,95 %, аргона – 0,93%, углекислого газа – 0,03% и оставшаяся 0,01% приходится на неон, гелий, водород, метан и др. газы. Структура атмосферы складывается из двух частей: внутренней – тропосферы, стратосферы, мезосферы и термосферы, или ионосферы, и внешней магнитосферы (экзосферы).

Схематическая структура атмосферы представлена на рисунке. Каждая сфера характеризуется определенным уровнем температур и давления, специфическими особенностями химических и физических явлений.

В нижнем слое атмосферы – тропосфере ­ до высоты 8-12 км температура может изменяться от +40 до –50⁰С. Этот слой атмосферы в конечном итоге формирует климат Земли. В нем сосредоточено значительное количество воды (в виде облаков и водяного пара). В тропосфере наблюдаются струйные течения воздушных потоков, переносящие облака, пыль, дым на большое расстояние. Указанные течения вызываются неравномерным нагревом земной поверхности. Наряду с естественным нагревом Земли солнечной радиацией происходят локальные нагревы, вызываемые производственной деятельностью человека, особенно в больших городах. Над ними создаются острова тепла, и температура воздуха в них может повышаться на 2-4⁰С.

Стратосфера состоит из изотермического слоя (12-40км), включающего озоновый слой (25-40км), теплового слоя и стратопаузы. В стратопаузе температура возрастает до +10⁰С, возможно за счет поглощения озоном ультрафиолетовой и инфракрасной радиации. В мезосфере и мезопаузе температура может понижаться до -70 -120⁰С. В термосфере (ионосфере) имеется значительное количество ионизированных частиц, отражающих электромагнитные волны. В ионосфере под действием солнечной радиации протекает множество реакций, в которых участвуют кислород, озон, азот, оксиды азота, пары воды, диоксид углерода. При этом образуются отрицательные (N^–, O^­ , O₂^–, CO₃^–, NO₂^–, NO₃^–) и положительные ионы (N⁺, H⁺, NO⁺, O⁺, O₂⁺ и др.). В основном ионизация происходит в слое атмосферы на высоте 70-80км. Так увеличение содержания окиси азота в атмосфере может привести к разрушению озона:

NO + O₃ → NO₂ + O₂

NO₂ + O → NO + O₂

O + O₃ → 2 O₂

В магнитосфере, которая окружает Землю на высоте выше 800км, наблюдается присутствие ионов атомарного кислорода (до 1000км), ионов гелия (до 1500км) и ионов водорода – на высоте более 1500км.

Через атмосферу осуществляется обмен вещества Земли с космосом. Земля получает космическую пыль и метеоритный материал, теряет самые легкие газы: водород и гелий. Атмосфера Земли насквозь пронизывается мощной радиацией Солнца, которая определяет тепловой режим поверхности планеты, вызывает диссоциацию молекул атмосферных газов и ионизацию атомов.

Гидросфера - водная оболочка Земли. Вследствие широкой подвижности воды проникают повсеместно в различные природные образования. Они находятся в виде паров и облаков в земной атмосфере, формируют океаны и моря, существуют в замороженном состоянии в высокогорных районах континентов и в виде мощных ледяных панцирей покрывают полярные участки суши. Атмосферные осадки проникают в толщи осадочных пород, образуя подземные воды. Вода способна растворять в себе многие вещества, поэтому любые воды гидросферы можно рассматривать в качестве естественных растворов различной степени концентрации. Даже наиболее чистые атмосферные воды содержат 10 -50 мг/л растворенных веществ. Гидросфера находится в тесной взаимосвязи с литосферой (подземные воды), атмосферой (парообразная влага) и живым веществом биосферы, в которое она входит в качестве обязательного компонента.

Подавляющая часть массы вод (94 %) слагает Мировой океан, который представляет собой уникальную природную систему. В ней происходит грандиозный процесс обмена и трансформации энергии и вещества нашей планеты. При этом различные физические, химические и биологические процессы объединяются, образуя единую природу океана - древнейшую область биосферы Земли. Со времени образования океана протекало изменение его природы под воздействием различных природных процессов: солнечного излучения, геологических и геохимических факторов и, что особенно важно, под влиянием биологических процессов. Биологические процессы проявлялись и проявляются в развитии живых организмов, в биологической продуктивности и осадкообразовании на всей площади дна Мирового океана, в формировании различного рода органогенных илов. В настоящее время можно считать, что в морской воде присутствуют все химические элементы таблицы Менделеева. Однако преобладающая часть растворенных веществ сложена немногими химическими элементами: O, H, Na, Mg, Ca, Cl, S. Некоторые из элементов, несмотря на относительно низкую концентрацию, играют важную роль в химических процессах моря и в морских организмах. В этом отношении ведущая роль принадлежит азоту, фосфору и кремнию, которые усваиваются живыми организмами, и их концентрация в морской воде контролируется ростом и размножением морских животных и растений.

Следует отметить одну особенность океанической воды - главные ионы характеризуются постоянным соотношением во всем объеме Мирового океана. Это указывает на устойчивость динамического равновесия между количеством растворенных веществ, поступающих с поверхности континентов в океан, и их осаждением.

Земная кора - наиболее неоднородная твердая оболочка Земли, сложенная различными минеральными ассоциациями в виде осадочных, изверженных и метаморфических горных пород. В учебной и научной литературе применяется термин "литосфера", предложенный Э. Зюссом. В настоящее время под литосферой понимают более обширную, чем земная кора, область. Литосфера - это верхняя твердая оболочка Земли, имеющая большую прочность и переходящая в нижележащую астеносферу, прочность которой относительно мала. Она включает земную кору и верхнюю мантию до глубин примерно 200 км. Выделяются два основных типа земной коры - континентальный и океанический. Между ними находится промежуточный тип, который называют субконтинентальным. Общий химический состав земной коры определяют немногие элементы: O, Si, Al, Fe, Ca, Mg, Na, K, которые слагают основную ее массу. При этом наиболее распространенным элементом является кислород, составляющий едва ли не половину массы земной коры ( > 47,3 %) и 92 % ее объема. Он прочно связан химически с другими элементами в главных породообразующих минералах.

Земная кора сложена породами различного типа и различного происхождения. Из них на осадочные породы приходится 9,2 %, на метаморфические - 20 % и на магматические - 70,8 %. Поверхность континентов на 80 % занята осадочными породами, а океаническое дно - почти полностью свежими осадками.

Живое вещество биосферы в общем занимает ничтожное пространство в масштабе всего земного шара. Широкое распространение самого термина "живое вещество" связано с работами В.И. Вернадского. Он показал, что все живые организмы Земли образуют единое целое - живое вещество планеты. Жизнь на Земле - самый выдающийся процесс на ее поверхности, получающий живительную энергию Солнца и приводящий в движение едва ли не все химические элементы таблицы Менделеева. Биосфера есть часть земного пространства, охваченного жизнью с ее активным химическим проявлением. В биосфере возможно существование организмов в любых возможных концентрациях - от единичных бактерий и спор в 1 см³ атмосферного воздуха до мощных тропических лесов экваториальной зоны и следов жизни в пучинах Мирового океана. По своим требованиям к условиям внешней среды организмы расселяются в разных верхних горизонтах Земли: в нижней атмосфере, в гидросфере, в почвах, в глубинах литосферы, пропитанных природными водами и нефтяными месторождениями. Все живое вещество по своей массе занимает ничтожную долю по сравнению с любой из верхних оболочек земного шара. По современным вероятностным оценкам общее количество массы живого вещества в современную эпоху составляет порядка 2420 млрд. т.

Все живое вещество нашей планеты составляет ~1/10000000 часть массы земной коры. Однако в качественном отношении живое вещество представляет собой наиболее высокоорганизованную часть материи Земли. По своему активному воздействию на окружающую среду живое вещество занимает особое место и качественно резко отличается от других оболочек земного шара, так же, как живая материя отличается от мертвой. Средний элементарный состав живого вещества отличается от состава земной коры высоким содержанием углерода. Атомы углерода имеют способность создавать длинные цепи соединений с другими атомами, что приводит к построению бесчисленных полимеров и других сложных органических высокомолекулярных соединений.

По оценкам разных источников биосфера возникла 3,5 - 4,5 млрд лет назад. Область современного обитания живых организмов охватывает в среднем 12 - 17 км - несколько меньше на суше, больше в океане; сфера случайного попадания организмов и биогенных элементов колеблется до 40 - 50 км. Считается, что нижняя граница биосферы в среднем лежит на глубине 3 км от поверхности суши и 0,5 км ниже дна океана, хотя в буровых скважинах живые микроорганизмы обнаружены на глубине 4 км, а микробиологические остатки - до 7 км. В "черных курильщиках" - выходах термальных вод на дне океана на глубинах в 3 км при давлении около 300 атм обнаружены живые организмы при температуре 250 ⁰С. Растения поднимаются в горы до высоты ~ 5 км. Дальше царствует вечный холод, но жизнь здесь теплится - обитают некоторые паукообразные и микроорганизмы. Верхняя граница биосферы находится на высоте 20 - 25 км на уровне озонового слоя, защищающего все живое от жесткого ультрафиолетового излучения. Выше случайно залетают только споры бактерий и грибов. Масса биосферы составляет ~0,05 % массы Земли, объем - 0,4 %. Но именно эта незначительная по размерам оболочка планеты есть область зарождения, развития и сохранения на протяжении миллиардов лет жизни в одной из точек Вселенной.