28. Обзор геосфер Земли. Взаимодействие живого и косного вещества в биосфере.

Геосферы - (от греч. гео – Земля, сфера – шар) – географические концентрические оболочки (сплошные или прерывистые), из которых состоит планета Земля.

Выделяются следующие геосферы: магнитосфера, атмосфера, гидросфера, литосфера, земная кора, мантия и ядро Земли. Ядро Земли делится на внешнее ядро (жидкое) и центральное – субъядро (твёрдое).

Геосферы условно делятся на базовые или главные (литосфера, атмосфера и гидросфера и другие), а также относительно автономно развивающиеся вторичные геосферы: педосфера, антропосфера, социосфера и ноосфера. Область обитания организмов, включающая нижнюю часть атмосферы, всю гидросферу и верхнюю часть земной коры, называется биосферой. Криосфера характеризуется отрицательной или нулевой температурой, при которых вода, содержащаяся в парообразном, свободном или химически и физически связанном с другими компонентами виде, может существовать в твёрдой фазе (лёд, снег, иней и другие).

Статус геосферы им придаётся лишь исходя из значения в жизни человека на Земле, соизмеримого с ролью первичных геосфер.

Каждая из перечисленных выше геосфер изучается отдельной наукой или набором отдельных наук, изучающих каждую сферу на разных системных уровнях.

Содержание

1. Состав основных геосфер земли

2. Общая характеристика основных геосфер земли

↑Состав основных геосфер земли

Формирование Земли сопровождалось дифференциацией вещества, результатом которой стало разделение Земли на концентрически расположенные слои (геосферы), различающиеся химическим составом, агрегатным состоянием и физическими свойствами.

В центре образовалось ядро Земли, окруженное мантией. Из наиболее легких компонентов вещества, выделившихся из мантии, возникла расположенная над мантией земная кора – «твердая» Земля, заключающая в себе почти всю массу планеты. Далее возникли водная и воздушная оболочки нашей планеты.

Таким образом, можно выделить следующий ряд геосфер, из которых состоит Земля:

• ядро;

• мантия;

• литосфера;

• гидросфера;

• атмосфера;

• магнитосфера.

 

↑Общая характеристика основных геосфер земли

К настоящему времени человечеством получено множество данных, позволивших с высокой степенью достоверности установить характеристики основных геосфер земли.

Ядро Земли – занимает центральную область нашей планеты. Это самая глубокая геосфера. Средний радиус ядра около 3500 км, располагается оно глубже 2900 км. Состоит из двух частей – большого внешнего и малого внутреннего ядра. Природа внутреннего ядра Земли с глубины 5000 км остается загадкой. Это шар диаметром 2200 км, который, как полагают ученые, состоит из железа и никеля и имеет температуру плавления порядка 4500 °С.

Внешнее ядро представляет собой жидкость – расплавленное железо с примесью никеля и серы. Давление в этом слое меньше. Внешнее ядро – шаровой слой толщиной 2200 км.

Мантия – наиболее мощная оболочка Земли, занимающая 2/3 ее массы и большую часть объема. Она также существует в виде двух шаровых слоев – нижней и верхней мантии. Толщина нижней части мантии – 2000 км, верхней – 900 км.

Благодаря высокому давлению вещество мантии, скорее всего, находится в кристаллическом состоянии. Температура мантии составляет около 2500 ° С. Именно высокие давления обусловили такое агрегатное состояние вещества, в ином случае указанная температура привела бы к его расплавлению.

В расплавленном состоянии находится астеносфера – нижняя часть верхней мантии. Это подстилающий верхнюю мантию и литосферу слой. В целом же верхняя мантия обладает интересной особенностью: по отношению к кратковременным нагрузкам она ведет себя как жесткий материал, а по отношению к длительным нагрузкам – как пластичный.

Литосфера – это земная кора с частью подстилающей ее мантии, которая образует слой толщиной порядка 100 км. Земная кора обладает высокой степенью жесткости, но и большой хрупкостью. В верхней части она слагается гранитами, в нижней – базальтами.

Геологические особенности коры определяются совместными действиями на нее атмосферы, гидросферы и биосферы – трех самых внешних оболочек планеты. Состав коры и внешних оболочек непрерывно обновляется.

На поверхности литосферы в результате совокупной деятельности ряда факторов возникает почва – это сложнейшая система, стремящаяся к равновесному взаимодействию с окружающей средой.

Гидросфера – водная оболочка Земли представлена на нашей планете Мировым океаном, пресными водами рек и озер, ледниковыми и подземными водами. Общие запасы воды на Земле составляют 1,5 млрд км³. Из этого количества 97 % приходится на соленую морскую воду, 2 % составляет замерзшая вода ледников и 1 % – пресная вода.

Гидросфера – это сплошная оболочка Земли, так как моря и океаны переходят в подземные воды на суше, а между сушей и морем идет постоянный круговорот воды, ежегодный объем которого составляет 100 тыс. км³.

Воде свойственны высокая теплоемкость, теплота плавления и испарения. Вода является хорошим растворителем, поэтому в ней содержится множество химическим элементов и соедине­ний, необходимых для поддержания жизни.

Большую часть поверхности Земли занимает Мировой океан (71 % поверхности планеты). Он окружает материки (Евразию, Африку, Северную и Южную Америку, Австралию и Антарктиду) и острова. Океан делится материками на четыре части: Тихий (50 % площади Мирового океана), Атлантический (25 %), Индийский (21 %) и Северный Ледовитый (4 %) океаны.

Важной частью гидросферы Земли являются реки – водные потоки, текущие в естественных руслах и питающиеся за счет поверхностного и подземного стока с их бассейнов.

Озера, болота, подземные воды также часть гидросферы Земли.

Ледники, образующие ледяную оболочку Земли (криосферу), также являются частью гидросферы нашей планеты. Они занимают 1/10 часть поверхности Земли. Именно в них содержатся основные запасы пресной воды (3/4).

Атмосфера – это воздушная оболочка Земли, окружающая ее и вращающаяся вместе с ней. Она состоит из воздуха – смеси газов (азота, кислорода, инертных газов, водорода, углекислого газа, паров воды). Кроме того, воздух содержит большое количество пыли и различных примесей, порождаемых геохимическими и биологическими процессами на поверхности планеты.

Атмосфера Земли имеет слоистое строение, причем слои отличаются по физическим и химическим свойствам. Важнейшими из них являются температура и давление, изменение которых лежит в основе выделения атмосферных слоев. Таким образом, в атмосфере Земли выделяют: тропосферу, стратосферу, ионосферу, мезосферу, термосферу и экзосферу.

Тропосфера – это нижний слой атмосферы, определяющий погоду на нашей планете. Имеет постоянную температуру. Его толщина – 10–18 км. С высотой падают давление и температура. В тропосфере содержится основное количество водяных паров, образуются облака и формируются все виды осадков.

Толщина стратосферы доходит до 50 км. Наблюдается повышение температуры из-за поглощения солнечного излучения озоном.

Ионосфера – эта часть атмосферы, начинающаяся с высоты 50 км и состоящая из ионов (электрически заряженных частиц воздуха). Ионизация воздуха происходит под действием Солнца.

С высоты 80 км начинается мезосфера, роль которой состоит в поглощении ультрафиолетовой радиации Солнца озоном, водяным паром и углекислым газом.

На высоте 90–400 км находится термосфера. В ней происходят основные процессы поглощения и преобразования солнечного ультрафиолетового и рентгеновского излучений.

Верхняя область атмосферы, простирающаяся от 450–800 км до 2000–3000 км, называется экзосферой. В ней содержатся атомарный кислород, гелий и водород. Часть этих элементов постоянно уходит в мировое пространство.

Магнитосфера – это внешняя и наиболее протяженная оболочка Земли. Магнитосфера представляет собой область, физические свойства которой определяются магнитным полем Земли и его взаимодействием с потоками заряженных частиц космического происхождения. Образует магнитный хвост Земли. В ней находятся радиационные пояса.

Живое вещество

   Живое вещество есть совокупность всех организмов Земли, находящихся на ней в данный период времени. В целом эта совокупность играет большую роль, хотя, если говорить о воздействии человека на планетные процессы, то роль отдельной личности может быть ничтожной.    Живое вещество на Земле можно рассматривать как совокупность средних живых организмов, относящихся ко всем различным группам. Каждая из таких групп состоит из однородного живого вещества. Живое вещество существует только в биосфере. Как уже отмечалось, биосфера включает в себя тропосферу, океаны и тонкую пленку в континентальной области, уходящую на глубину не менее чем на 3 км. Человек стремится увеличить размеры биосферы.    Биосферу обычно определяют как область жизни. Но ее можно (и, вероятно, даже более точно), рассматривать как оболочку, в которой происходят изменения, вызванные попадающим на Землю солнечным излучением.    В.И. Вернадский указывал на необратимость процессов жизни, увеличение ее свободной энергии и выраженной дисимметрии в строении живого вещества: “Ди-симметрия выражена как особым характером симметрии пространства, занятого живым веществом, так и особенно явным несоответствием, скорее неравенством, — между “правым” и “левым” характером явлений (например, обобщения Пастера)”. Развивая дальше понятие о принципиальном значении явления дисимметрии, В.И. Вернадский пишет: “Необходимо подчеркнуть основной вывод: явления жизни позволяют здесь идти в изучении пространства и Космоса так далеко, как это пока невозможно никаким другим путем. В этом проявляется космичность жизни. Это явно видел Пастер”.    Итак, В.И. Вернадским осуществлен первый шаг в изменении современной научной картины Вселенной, который характеризуется:    - введением живого вещества;    - определением его как явления планетарного или космического.

Косное и живое вещества

   Вещество, составляющее биосферу, существенно неоднородно. Поэтому различают косное и живое вещества. Косное вещество преобладает по массе и объему. Происходит непрерывная миграция атомов косного вещества биосферы в живое и обратно. Все исследуемые объекты в биосфере следует называть естественными телами биосферы. А среди них можно различать тела живые, а также косные или биокосные, как, например, почва или озерная вода.    В.И. Вернадский подчеркивал принципиальное значение связей живого и косного вещества, фундаментальный характер биологического единства земных естествен-ноприродных процессов: “Между косным и живым веществом есть непрерывная, никогда не прекращающаяся связь, которая может быть выражена как непрерывный биогенный ток атомов из живого вещества в косное вещество биосферы и обратно. Этот биогенный ток атомов вызывается живым веществом. Он выражается в непрекращающемся никогда дыхании, размножении и т.п.”. В этом постоянном обмене, рассматривая взаимодействие живого и косного вещества в космопланетарном аспекте, В.И. Вернадский выделил несколько основополагающих свойств, среди которых — два биохимических принципа:    1. Геохимическая биогенная энергия стремится в биосфере к максимальному проявлению.    2. При эволюции видов выживают те организмы, которые своей жизнью увеличивают биогенную геохимическую энергию.    Важная сторона естественнонаучных обобщений, сделанных В.И. Вернадским, состояла в том, что он постоянно поддерживал космические, “вселенские” аспекты процессов и явлений, происходящих в живом веществе. Перечисляя планетарные свойства жизни, В.И. Вернадский, наряду с первым и вторым биохимическими принципами, указывал также, что “живое вещество находится в непрерывном химическом обмене с космической средой, его окружающей”. Обмен этот проявляется, в частности, в том, что живое вещество “создается и поддерживается на нашей планете космической энергией Солнца”.

. Круговорот органического вещества

   Основой биосферы является круговорот органического вещества, осуществляющийся при участии всех населяющих ее организмов. В закономерностях биотического круговорота решена проблема длительного существования и развития жизни. На Земле запасы доступных минеральных элементов, необходимых для осуществления жизненных функций, не могут быть бесконечными. Если бы они только употреблялись, жизнь рано или поздно должна была бы закончиться. Именно для жизнедеятельности образовался круговорот органического вещества.    Каждый вид организмов представляет собой звено в биотическом круговороте. Используя в качестве средств существования тела или продукты распада одних организмов, он должен отдавать в среду то, что могут использовать другие. С их помощью осуществляется естественная саморегуляция биосферы, любая форма жизни неизменно будет включаться в биотический круговорот. При этом можно выделить два свойства микроорганизмов, позволяющих им играть столь важную роль:    1. Возможность быстро приспосабливаться к различным условиям среды.    2. Способность использовать в качестве источника углерода и энергии самые различные тела.    Солнечная энергия вызывает на Земле два круговорота веществ:    1. Большой, наиболее ярко проявляющийся в круговороте воды и циркуляции атмосферы.    2. Малый, или биологический, круговорот.     Оба круговорота взаимосвязаны и представляют единый процесс. Биологический круговорот веществ обеспечивает воспроизводство живого вещества и оказывает активное влияние на облик биосферы.    Растительные организмы, животные и бактерии используют для построения своих тканей многие элементы, такие как, например, водород, кислород, азот, фосфор, серу, кальций, калий, магний и многие другие. Используются также и микроэлементы.    Биотический круговорот веществ, являющийся замкнутой системой, в упрощенном виде выглядит так: зеленые растения используют солнечную энергию, создают первичную продукцию живого вещества, потребляют углекислоту и выделяют кислород. Животные поедают растения, потребляют кислород и выделяют углерод. Мертвые растения и животные перерабатываются насекомыми, простейшими, грибами, которые разрушают их, превращая в минеральные или простейшие органические соединения, поступающие в почву и вновь потребляемые растениями и т.д. Непрерывность и замкнутость этого процесса обеспечиваются распадом и разложением конечных продуктов.    Гумус, образующийся в почве под влиянием микроорганизмов, представляет собой сложный комплекс соединений, обладающий значительным запасом энергии. Разложение гумуса с отдачей энергии происходит очень медленно, что и определяет его значение как основы почвенного плодородия, обеспечивающего растения элементами минерального питания.    В биотический круговорот вовлекается гигантское количество воды. Испарение воды наземными частями растений создает силу, способствующую подъему из почвы по сосудам почвенного раствора, обеспечивающего растения как водой, так и минеральными солями. Извлекаемая из почвы вода в парообразном состоянии попадает в атмосферу, затем, охлаждаясь, конденсируется и вновь в виде осадков возвращается почву или океан. Геологический круговорот воды выполняет основную механическую работу, осуществляя перераспределение, накопление твердых осадков на суше и дне водоемов, а также в процессах механического разрушения почв и горных пород.    Воздушные массы биосферы в результате их неравномерного нагревания определяют климат и осуществляют процессы выветривания. Кислород атмосферы накоплен в результате деятельности растений. У верхней границы тропосферы под влиянием космических излучений из кислорода образуется озон, предохраняющий жизнь на Земле от действия ультрафиолетовых волн. Озоновый слой — тоже результат деятельности живого вещества, т.е. сама жизнь защищает себя от смерти.