Реферат
Природные факторы экосферы
Содержание
1. Геосферы и экосфера
2. Земля как планета – геоэкологические следствия
3. Энергетические и вещественные особенности экосферы
4. Роль биоты в функционировании экосферы
Литература
1. Геосферы и экосфера
Экосфера – область взаимного проникновения и взаимодействия атмосферы, биосферы, гидросферы и верхней части литосферы.
Экосферане имеет четких границ и простирается на первые десятки километров в атмосферу и на первые сотни метров в литосферу, включая в себя помимо этих двух сфер также и всю биосферу, педосферу и практически всю гидросферу.
Экосфера – целостная, внутренне связанная система, обладающая определенной устойчивостью по отношению как к внутренним процессам, так и внешним воздействиям. Основные черты пространственной структуры экосферы следующие:
* экосфера по форме близка к шару;
* экосфератрехмерна.
На этом основана общепринятая система географических координат: широта, отсчитываемая к северу и югу от экватора, долгота, отсчитываемая от нулевого меридиана, обычно проводимого через Гринвич вблизи Лондона, и высота над средним уровнем океана;
* поверхность суши и океана («дневная поверхность») – это зона наибольшего взаимодействия геосфер;
* верхняя и нижняя границы экосферы размыты;
* поверхности контактов между различными компонентами экосферы наиболее активны. К ним относятся такие контактные зоны, как атмосфера -суша, атмосфера – океан, суша – океан; поверхности раздела между воздушными и водными массами с различными свойствами (фронты); границы между различными экологическими системами (экотоны).
2. Земля как планета: геоэкологические следствия
Положение Земли в Солнечной системе, ее размеры, форма, особенности движений предопределяют несколько основных свойств планеты, в том числе особенности, важные с точки зрения геоэкологии.
1.Земля – планета относительно небольшая. Площадь ее поверхности составляет 510 млн. км2, из них суша — 149 млн. км2, а свободная от ледников суша – 133 млн. км2. Ограниченность пространства и ресурсов, заключенных в этом пространстве, при возрастающей численности населения мира и росте его потребностей, приведет к неизбежности возникновения, рано или поздно, глобального геоэкологическогокризиса.
2.Главный источник энергии, необходимой для функционирования экосферы – это Солнце. Положение Земли по отношению к Солнцу оптимально по сравнению с другими планетами.
3. Ось вращения Земли наклонена под углом 66°33′ к плоскости движения Земли вокруг Солнца (плоскости эклиптики). Это обстоятельство обусловливает изменяющееся в течение года неравномерное распределение солнечной радиации по земной поверхности и, таким образом, (1) смену времен года. Оно обеспечивает также различную продолжительность (2) светового дня и ее (3) внутригодовую изменчивость в зависимости от широты.
4.Параметры движений Земли изменяются с определенной периодичностью. Среди многих периодов выделяются вариации средней продолжительностью 92, 40 и 21-23 тыс. лет, связанные с закономерными изменениями параметров движений Земли. Это приводит к периодичности изменений геоэкологической обстановки, таких как потепление или похолодание климата, повышение или понижение уровня океана, развитие или сокращение оледенения и пр. Периодичность различной продолжительности – отличительная особенность многих природных явлений.
5. Форма Земли не соответствует в точности какой-либо геометрической фигуре, но для текущих задач геоэкологии она может быть аппроксимирована как шар. Отсюда вытекают два важных следствия.
Во-первых, шарообразность Земли обеспечивает закономерное изменение от экватора к полюсам интенсивности солнечного излучения и накапливаемых за год сумм солнечной радиации. Это обстоятельство – основная причина формирования природных зон и ландшафтов Земли. Во-вторых, из-за шарообразности Земли площадь тропической зоны (50 %) существенно больше умеренной, а тем более полярной зоны (13%). Если разделить Землю по тридцатиградусным полосам по широте и затем сложить образовавшиеся полосы симметрично относительно экватора, то образуются три основные зоны: тропическая, умеренная и полярная. Столь большие различия в площади зон указывают, при прочих равных условиях, на относительно более значительную для глобальной экологии роль процессов в тропической зоне и наименьшую – в полярной зоне.
3. Энергетические и вещественные особенности экосферы
Наиболее характерными особенностями любой сложной природной системы являются ее энергетическое, вещественное состояние и режим. В этой связи важнейшими факторами, определяющими режим и эволюцию экосферы, являются ее тепловой баланс и глобальные циклы веществ.
а) Тепловой баланс экосферы.
Солнце — главный источник энергии, которая необходима для функционирования экосферы как системы. Общее количество солнечной энергии, достигающей верхней атмосферы, составляет 5,49 х 10 Дж / год.
При этом, поток солнечной радиации мало изменяется во времени, обеспечивая устойчивую энергетику таких основных процессов экосферы, как, например, общая циркуляция атмосферы и океана, выветривание и денудация верхних горизонтов литосферы, глобальные биогеохимические циклы вещества, образование первичной биологической продукции.
Другой источник энергии экосферы – поток из недр Земли к ее поверхности,который в 20-30 тыс. раз меньше, чем поступление энергии от Солнца.Человек использует сейчас почти такое же количество энергии, как и поток из недр Земли.
Солнечную энергию, приходящую к верхней границе атмосферы, постигают затем сложные преобразования: она частично рассеивается в атмосфере;отражается от нее в мировое пространство;достигает поверхности Земли.
В среднем для Земли почти половина солнечной радиации, приходящей на верхнюю границу атмосферы, достигает поверхности океанов и суши. В свою очередь эта доля солнечной энергии (50%):
– отражается от поверхности Земли в атмосферу и за ее пределы;
– нагревает поверхность почвы и океанов;
– расходуется на испарение воды.
С точки зрения энергетического баланса, экосфера – открытая система, потому что происходит свободный обмен энергией через границы системы. Несмотря на это приходные и расходные части энергетического бюджета экосферы в высочайшей степени сбалансированы.
Таким образом, экосфера получает и теряет одинаковое количество энергии, что удерживает ее в относительно стабильном термическом состоянии.Антропогенные изменения теплового баланса в отдельных точках, или территориях (акваториях), могут вызывать изменения в циркуляции атмосферы с соответствующими воздействиями на климат.
б) Глобальные циклы вещества
Что касается обмена веществом, то он также происходит через границы экосферы, но интенсивность обмена по сравнению с потоками вещества внутри системы ничтожно мала. Из космоса сквозь атмосферу на поверхность Земли выпадает примерно 40 млн. т метеоритного вещества в год. Процессы обмена веществом внутри экосферы отличаются значительно большими размерами. Например, реки мира выносят в океаны около 20 млрд. т наносов в год, или в 2 тыс. раз больше, чем приносится метеоритами. Поэтому можно сказать, что с точки зрения геоэкологии Земля и ееэкосфера – это закрытые системы.
В закрытой системе неизбежно возникают циркуляционные движения вещества, что и происходит на Земле. Это круговороты вещества, такие как (1) большой («геологический») круговорот, объединяющий разрушение и снос горных пород с аккумуляцией и трансформацией продуктов разрушения, (2) круговорот воды, (3) биогеохимические циклы химических элементов, таких, например, как углерод, азот, фосфор, сера. В сущности, эти круговороты – один большой круговорот, разделяемый нами на отдельные составляющие для удобства понимания глобальных процессов.
Любой сложный круговорот вещества состоит из запасов (резервуаров) и потоков. Одна из важнейших количественных характеристик – среднее время оборота вещества, вычисляемое как отношение его запаса к потоку. Все естественные глобальные круговороты вещества отличаются чрезвычайно высокой степенью замкнутости.
Современная продукция органического вещества в биосфере составляет 100 млрд. т/год в единицах массы органического углерода. Эта величина соответствует 1000 млрд. т живой массы. Детальный анализ показывает, что в геологическом масштабе времени баланс потоков синтеза и деструкции органического вещества Земли выдерживается с точностью до восьми знаков за запятой!
Поэтому даже малые, но устойчивые антропогенные воздействия могут приводить к существенным изменениям естественных круговоротов. Отсюда вытекает важнейшая роль деятельности человека в возникновении и усилении несбалансированности круговоротов с серьезными последствиями глобальных размеров.
Рассмотрим в упрощенном виде основные черты глобальных биогеохимических циклов химических элементов, важнейших для состояния экосферы, — углерода, азота, фосфора и серы.
Глобальный цикл углерода. Углерод является наиболее важным химическим элементом экосферы. так как:
– почти все формы жизни состоят из соединений углерода;
– реакции окисления и восстановления соединений углерода в экосфере обусловливают глобальное распространение и балансне только углерода, но и кислорода, а также и многих других химических элементов;
– способность атома углерода создавать цепи и кольца обеспечивает разнообразие органических соединений;
– углеродсодержащие газы – углекислый газ (СО2) и метан (СН4) – играют определяющую роль в антропогенном парниковом эффекте.
Основные экосферные резервуары углерода находятся в гидросфере, биосфере и атмосфере. Основной запас углерода, принимающего активное участие в биогеохимическом цикле, находится в Мировом океане, где он содержится в различных формах.
Основной антропогенный поток в глобальном цикле углерода образуется в результате сжигания горючих ископаемых в процессе производства энергии. Второй поток – различные виды деструкции органического вещества биоты и почв, которые возникают при антропогенном преобразовании экосистем суши. Эти антропогенные потоки относительно невелики, но они устойчиво возрастают. В чрезвычайно сбалансированном цикле углерода антропогенное воздействие приводит уже сейчас к заметному усилению парникового эффекта с соответствующими серьезными последствиями для экосфер.
Глобальный цикл азота. Азот – ключевой ингредиент жизни, поскольку этот элемент обязательный компонент всех белковых соединений.
Большие запасы соединений азота сосредоточены в литосфере. Остальные запасы азота представлены в виде химически малоактивного газа, составляющего 79% атмосферы. Запасы азота в биосфере и гидросфере – на три порядка меньше, чем в атмосфере. Среднее соотношение массы углерода и азота в наземной биомассе и почвах С : N = 160 : 15.
Несмотря на относительно малые запасы азота в биосфере и гидросфере, это активный элемент, быстро обменивающийся между геосферами. Важнейший антропогенный поток в цикле азота – использование азотных удобрений.
Приблизительно 50% азота, вносимого в агроэкосистемы, попадает в состав сельскохозяйственных растений. Из этого количества около половины убирается с поля с урожаем, а другая половина остается в органическом веществе почвы. Современное земледелие, таким образом, изменило общее направление потока азота: не от почвы в атмосферу, а наоборот. Рост численности населения и опережающей его потребности в белковом питании заставил человека интенсифицировать азотный цикл, чтобы производить больше белка. Это привело к загрязнению окружающей среды и, в частности, к интенсификации процесса эвтрофикации водоемов.
Другим фактором антропогенной интенсификации потоков азота является энергетика, поскольку при сжигании угля, нефти и ее продуктов, сланцев, торфа увеличивается эмиссия в атмосферу аммиака и оксидов азота. В свою очередь, оксиды азота и аммиак играют решающую роль в процессах асидификации окружающей среды.
Глобальный цикл фосфора. Фосфор – необходимый компонент ДНК и фосфолипидных молекул клеточных мембран. Наряду с азотом, фосфор контролирует биологическую продуктивность наземных и морских экосистем вследствие невысокого содержания этих элементов в экосистемах.
Основные резервуары фосфора – экосистемы суши, океаны и отложения наносов в водоемах. Газообразные формы фосфора практическине существуют, и поэтому в атмосфере его нет. В литосфере подавляющая часть фосфора кристаллических пород содержится в апатитах (95%). Первоначально почти весь фосфор на суше образовался вследствие выветривания апатитов. Осадочные отложения вторичного характера – фосфориты, дающие около 80% всей мировой добычи фосфора.
В естественных экосистемах связывание фосфора растениями находится в состоянии баланса с возвратом фосфора из растений благодаря распаду органического вещества. В почвах и растительности среднее соотношение концентрации углерода и фосфора равно: С : Р = 750 : 1.
Биогеохимия фосфора отличается от биогеохимии других биогенных элементов (углерода, кислорода, азота, серы), поскольку фосфор, в отличие от других биогенов, практически не встречается в газообразной форме. Это создает однонаправленный поток фосфора вниз по уклону под действием силы тяжести, главным образом в виде тонкодисперсных наносов, на поверхности которых адсорбированы соединения фосфора. Таким образом, происходит транспорт этого элемента реками в системы с замедленным водообменом (озера, водохранилища, моря), где и отлагаются наносы, относительно богатые фосфором. Противоположного потока не существует, что создает реальную опасность значительного обеднения фосфором экосистем суши (в том числе и агроэкосистем) с соответствующим снижением их биологической продуктивности.
Антропогенный возврат фосфора из водоемов на водосборы пока невероятен и как бы относится к элементам научной фантастики, но не исключено, что к середине XXI в. эту проблему нужно будет решать.
Вследствие антропогенной деятельности, приводящей к повышенной эрозии почв, смыву фосфорных удобрений и сбросу неочищенных сточных вод, интенсивность потоков фосфора в мире увеличилась. Это приводит к усилению процессов эвтрофикацииводоемов. Общемировая величина потока фосфора в гидросферу оценивается величиной около 20 млн. т/ год.
Глобальный цикл серы. Сера играет важную роль в биологических процессах, поскольку это необходимый компонент белков. Глобальный цикл серы отличается разнообразием биотических и абиотических процессов с участием различных компонентов в газообразной, жидкой и твердой фазах. Из всех глобальных биогеохимических циклов основных биогенных элементов цикл серы наиболее сильно нарушен деятельностью человека.
Важнейшее антропогенное воздействие – это эмиссия оксида серы SО2, возникающая благодаря сжиганию горючих ископаемых, прежде всего угля. В среднем антропогенный поток серы вдвое превышает естественный поток. Современный сток соединений серы по речным системам также более чем вдвое превышает его первоначальную величину. Антропогенное нарушение цикла серы серьезно влияет на ряд глобальных геоэкологических проблем, таких как асидификацияэкосистем, состояние озона в тропосфере и изменение климата.
Резюмируя геохимические циклы можно отметить, что все указанные элементы снижают биоразнообразие, азот и фосфор вызывают эвтрофирование, азот и сера – асидификацию, сера, азот и углерод – изменение климата.
Таким образом, экосфера характеризуется мощным и устойчивым притоком энергии извне и взаимосвязанными циклами вещества. При этом отличительная особенность естественных балансов энергии и вещества – высокая степень их сбалансированности. В настоящее время становятся весьма заметными воздействия человека, как на энергетический баланс Земли, так и на глобальные циклы вещества.
Все антропогенные экосистемы, даже самые высокоурожайные, прекрасно возделываемые поля и хорошо ухоженные парки отличаются высокой степенью незамкнутости. С этой точки зрения природно-антропогенные системы, такие как поля, сады, огороды, пастбища, лесные плантации, не говоря уже о городских системах, вносят все усиливающуюся неустойчивость в состояние экосферы.
4. Роль биоты в функционировании экосферы
Биота – это совокупность организмов, обитающих на какой-либо территорииэкосфера земля биота
Живые организмы играют огромную, определяющую роль в формировании и функционировании экосферы. Именно они превратили Землю в планету, резко отличающуюся от других. Биота обеспечивает стабильность экосферы, поддерживая оптимальные условия ее существования и гася возмущения.
Функции биоты в экосфере.
1. Энергетическая. Один из самых важных, а может быть, и наиважнейший природный процесс в экосфере – фотосинтез, т.е. процесс образования растительностью органического вещества из углекислого газа атмосферы и воды с использованием солнечной энергии.
При образовании органического вещества в процессе фотосинтеза, растения, в дополнение к углероду, водороду и кислороду, присоединяют в органическое вещество азот и серу. Фотосинтезированное органическое вещество – это важнейший возобновляемый ресурс экосферы, основа всей жизни и мощный регулятор глобальных биогеохимических циклов.
Удивительно, что для фотосинтеза используется менее 1% поступающей к поверхности Земли солнечной радиации. Заметим, что по абсолютной величине суммарная энергия, затрачиваемая на фотосинтез, значительна. Она на порядок превышает количество энергии, потребляемой человеческим обществом.
2. Деструкционная. Наряду с синтезом органического вещества в природе, происходит и его разложение, или деструкция, т.е. распад органических структур на составные части, включая питательные (биогенные) вещества, с выделением энергии. И в этом процессе биота играет определяющую роль. На глобальном уровне, вследствие деятельности биоты, устанавливается с очень высокой степенью точности баланс между продукцией и деструкцией органического вещества. Тем самым обеспечивается устойчивость цикла углерода, этого важнейшего биогеохимического цикла.
3. Концентрационная.Биота осуществляет также весьма эффективное управление потоками и концентрацией биогенных элементов, определяя тем самым устойчивость соответствующих глобальных биогеохимических циклов.
4. Дыхательная. Очень важно, что в процессе фотосинтеза образуется также и кислород. Именно благодаря деятельности биоты атмосфера Земли имеет значительное содержание кислорода. Одним из фундаментальных последствий формирования кислородной атмосферы было образование озонового слоя, отсекающего наиболее жесткую, губительную для живых организмов часть ультрафиолетовой солнечной радиации, что позволило биоте в процессе ее эволюции выйти из океана на сушу.
5. Почвообразующая. Важнейшую роль биота играет в выветривании (разрушении) горных пород и образовании почв: микроорганизмы обеспечивают эффективное формирование большей части мелкодисперсной фракции почв, играющей определяющую роль в плодородии почвы.
Человеческое общество в процессе своей эволюции оказывало все увеличивающееся давление на окружающую среду. Во многих случаях это давление осуществляется посредством воздействия на биоту и биогенные процессы. Человек как биологический вид находится на верхнем уровне экологической пирамиды. Это означает, что в соответствии со сложившимися в природе соотношениями он может потреблять не более нескольких процентов от производимого в процессе фотосинтеза органического вещества. На самом деле он потребляет или разрушает около 40% органического вещества, производимого растительностью суши, что является важнейшим индикатором глобального экологического кризиса.
Литература
1. Ласточкин А.Н. Геоэкология ландшафта (экологические исследования окружающей среды на геотопологической основе) СП б.: СПб ГУ, 2005.
280 с.
2.Петров К.М. Геоэкология. С.-Петербург: С.-Петербургский университет, 2004. 274 с.
3. Родзевич Н.Н. Геоэкология и природопользование.М.:наука, 2003. 256 с.
4.Ясаманов Н.А. Основы геоэкологии. М.: Академия, 2003. 352 с.
