Биосфера. Ее границы, состав и строение.

В работе описаны состав и строение биосферы, рассмотрены круговороты составляющих биосферу химических веществ: углерода, азота, кислорода, воды, фосфора и серы. ...

Содержание

Введение 3
1. Состав и строение биосферы 5
2. Организованность биосферы 8
2.1. Круговорот углерода 8
2.2. Круговорот азота 10
2.3. Круговорот кислорода 11
2.4. Круговорот воды 12
2.5. Круговорот фосфора 14
2.6. Круговорот серы 15
Заключение 17
Список литературы 20

Введение
Создание и развитие учения о биосфере как целостного мировоззрения принадлежит великому русскому ученому В.И. Вернадскому (1863 - 1945). Он писал: "На земной поверхности нет химической силы более постоянно действующей, а потому более могущественной по своим конечным последствиям, чем живые организмы, взятые в целом."
Такое толкование понятия "биосфера" дало В.И. Вернадскому свое видение на проблему происхождения жизни на Земле. Будучи космистом, он считал, что жизнь зародилась вместе с планетой, поскольку, по его мнению, нет убедительных доказательств того, что Земля когда-либо была безжизненной, т.е. биосфера всегда существовала на Земле. Данное утверждение не совпадает с принятой в настоящее время точкой зрения русского ученого А.И. Опарина, согласно которой жизнь на Земле заро дилась в воде 3,5млрд. лет назад, а до этого шла неорганическая эволюция планеты, в процессе которой образовались литосфера и гидросфера.
В.И. Вернадский полагал, что структура и энергетика биосферы как одной из геологических оболочек Земли формируется в результате совокупной деятельности организмов. Одной из его важных идеей была мысль о космической роли живого вещества, которая заключается в аккумулировании солнечной энергии и преобразовании ее в энергию химических связей органических веществ. Без солнечной энергии были бы невозможны круговороты биогенных химических элементов и эволюция живых организмов.
Подобные мысли высказывали также Л.Н. Гумилев, АЛ. Чижевский, К.Э. Циолковский. Благодаря техническому воплощению идей последнего в создании ракеты для преодоления земной гравитации стали возможны космические полеты. А.Л. Чижевский положил начало гелиобиологии - науке о влиянии Солнца на физиологию человека и его социальную активность. Л.Н. Гумилев же стал основателем этнологии - науки о зарождении человеческих этносов и прямой роли солнечной энергии в их развитии .
Развивая учение о биосфере, В.И. Вернадский пришел к выводу о том, что биогенная миграция химических элементов в биосфере стремится к максимальному своему проявлению. Вовлекая неорганическое вещество в биологический круговорот, жизнь способна со временем проникать в более недоступные ей области планеты и увеличивать свою геологическую активность.
Действительно, палеонтологи, восстанавливая историю живых существ, приводят доказательства увеличения разнообразия видов, появления новых более сложных форм, способствующих еще более полному освоению солнечной энергии, активизации биосферы.
Кроме учения о биосфере В.И. Вернадский выдвинул также идею ноосферы - биосферы, управляемой разумной человеческой мыслью (термин "ноосфера" в буквальном смысле означает "сфера разума"). Познавая законы природы и совершенствуя технику, человек начинает оказывать все возрастающее влияние на ход природных процессов, глубоко изменяя их своей деятельностью.

Экосфера имеет мощность всего лишь несколько десятков метров.2. Организованность биосферыБиосфера обладает следующими тремя особенностями: в ней в значительном количестве содержится жидкая вода; на нее устремляется мощный поток энергии солнечных лучей; в ней находятся поверхности раздела между веществами, находящимися в трех фазах - твердой, жидкой и газообразной. В связи с этим в пределах биосферы осуществляются непрерывные круговороты веществ и энергии, которые обусловлены биогенными и абиогенными причинами. 2.1. Круговорот углерода.Один из самых важных биосферных круговоротов, поскольку происходит связывание диоксида углерода, который выделяется живыми организмами или образуется в ходе различных превращений в неживой природе (например, сжигание топлива), и выделение кислорода в ходе фотосинтеза наземными и водными растениями.В результате процесса фотосинтеза (при участии солнечного света и хлорофилла растений)6СО2 + 6Н2О С6Н12О6 + 6О2образуются углеводы, которые являются исходным материалом для формирования растений. Таким образом, фотосинтез является первичным источником всей биомассы планеты, в том числе органических ископаемых (см. рис.2.)Благодаря животным-сапрофагам и микроорганизмам, обитающим в почве, отмершие растения и останки животных превращаются в новое образование органической материи, более или менее мощный слой коричневой или черной массы - гумус. Скорость воздействия разлагающих организмов на гумус далеко не одинакова, а цепи грибов и бактерий, приводящие к окончательной минерализации углерода, бывают различной длины. Иногда цепь может быть короткой и неполной: органические остатки накапливаются в форме торфа и образуют торфяные болота. В некоторых болотах с мощным покровом из сфагновых мхов слой торфа может достигать 20 м и более. Здесь и приостанавливается круговорот углерода. Залежи ископаемых органических соединений в виде каменного угля и нефти свидетельствуют о стагнации круговорота в масштабах геологического времени.Рис. 2. Круговорот углерода в биосфере.В воде также происходит стагнация круговорота углерода, так как углекислота накапливается в форме СаСО3 (мел, известняки или кораллы) химического или биогенного происхождения. Часто эти массы углерода остаются вне круговорота в течение целых геологических периодов, пока СаСО3 в виде горных цепей не поднимется над поверхностью моря. С этого момента начинается поступление углерода и кальция в круговорот вследствие выщелачивания известняка атмосферными осадками, под воздействием лишайников, а также корней цветковых растений. 2.2. Круговорот азота.Круговорот азота - сложный процесс. Хотя в составе атмосферы на долю азота приходится 70%, для его фиксации необходимо, чтобы он находился в виде определенных химических соединений. Пути фиксации азота весьма разнообразны (рис. 3). Связывание азота происходит в процессе вулканической деятельности, при грозовых разрядах в атмосфере, когда имеет место ее ионизация, в момент сгорания метеоритов. Однако несравненно большая роль в процессе фиксации азота принадлежит микроорганизмам, как свободно живущим, так и обитающим на корнях в особых клубеньках, а иногда и на листьях некоторых растений.Рис. 3. Круговорот азота в биосфере.Циркуляция азота в биосфере протекает следующим образом. Сначала инертный азот атмосферы переводится в доступные для растений формы (биологическая азотфиксация, образование аммиака при грозовых разрядах, производство азотных удобрений на заводах). Далее происходит его усвоение растениями, переход части азота из растений в ткани животных и накопление его в детрите. С течением времени микроорганизмы-редуценты разлагают детрит вплоть до восстановления молекулярного азота, который возвращается в атмосферу.В настоящее время, вследствие уменьшения доли естественных экосистем, биологическая азотфиксация стала меньше промышленной фиксации азота (соответственно 90-130 и 140 миллионов тонн в год), причем к 2020 г. ожидается увеличение промышленной азотфиксации на 60 %. Восстановление естественного круговорота азота возможно за счет уменьшения производства азотных удобрений, резкого сокращения промышленных выбросов оксидов азота в атмосферу и расширения площади посевов бобовых, которые симбиотически связаны с бактериями-азотфиксаторами.2.3. Круговорот кислорода.Кислород атмосферы имеет биогенное происхождение и его циркуляция в биосфере осуществляется путем пополнения запасов в атмосфере в результате фотосинтеза растений и поглощения при дыхании организмов и сжигании топлива в хозяйстве человека (рис. 4). Кроме того, некоторое количество кислорода образуется в верхних слоях атмосферы при диссоциации воды и разрушении озона под действием ультрафиолетового излучения. Круговорот кислорода очень усложнен способностью элемента образовывать многочисленные химические соединения, представленные в различных формах. В результате возникает множество эпициклов, происходящих между литосферой и атмосферой, или между гидросферой и двумя этими средами.Рис.4. Круговорот кислорода в биосфере.Подсчитано, что для полного обновления всего кислорода атмосферы требуется около 2 тыс. лет и в настоящее время поддерживается равновесный круговорот кислорода, хотя в крупных густонаселенных городах с большим количеством транспорта и промышленных предприятий возникают локальные нарушения.Из-за избыточного попадания в озоновый слой хлора и оксидов азота отмечено ухудшение состояния озонового слоя, что приводит к образованию «озоновых дыр» (областей с пониженным содержанием озона) над полюсами Земли, и представляет экологическую опасность. Временные «дыры» возникают также над обширными районами вне полюсов (в том числе и над континентальными районами России). 2.4. Круговорот воды.Вода испаряется не только с поверхности водоемов и почв, но и живыми организмами, ткани которых на 70 % состоят из воды (см. рис. 5). Доля растений, особенно деревьев, в испарении воды составляет порядка 1/3 всей воды осадков.Рис. 5. Круговорот воды в биосфере. Разные фракции воды гидросферы участвуют в круговороте по-разному и с разной скоростью. Так, полное обновление воды в составе ледников происходит за 8 тыс. лет, подземных вод – за 5 тыс. лет, океана – за 3 тыс. лет, почвы – за 1 год. Пары атмосферы и речные воды полностью обновляются за 10-12 суток.Океан также играет важную роль в водном балансе биосферы (см. Табл. 1.). С его поверхности воды испаряется примерно в 2 раза больше, чем с поверхности суши.Если до недавнего времени круговорот воды считался равновесным, то с развитием цивилизации вмешательство человека нарушило этот цикл. Ввиду сокращения площади лесов, уменьшается испарение ими воды, и, напротив, увеличивается испарение с поверхности почвы при орошении сельскохозяйственных культур. Испарение воды с поверхности океана уменьшается вследствие появления на значительной части его поверхности пленки нефти. На круговорот воды также влияет глобальное потепление климата, вызванное парниковым эффектом. Все это в дальнейшем может привести к опасным для биосферы существенным изменениям.Таблица 1. Годовой водный баланс Земли (по Львовичу, 1986)Элементы водного балансаОбъем, км3Слой, смПериферическая часть суши (116 800 км2)ОсадкиРечной стокИспарение 106 00044 23061 77091,038,053,0Замкнутая бессточная часть суши (32 100 км2)Осадки Испарение 7 5007 50023,823,8Мировой океан (361 100 км2)Осадки Приток пресных водИспарение 411 60044 230455 830114,012,0126,0Земной шар(510 000 км2)ОсадкиИспарение 525 100525 100103,0103,02.5. Круговорот фосфора.О круговороте фосфора за обозримое время можно говорить лишь условно (рис. 6). Будучи гораздо тяжелее углерода, кислорода и азота, фосфор почти не образует летучих соединений – он стекает с суши в океан, а возвращается в основном при подъеме суши в ходе геологических преобразований. Фосфор содержится в горных породах, откуда выщелачивается в почву и усваивается растениями, а затем по пищевым цепям переходит к животным. После разложения мертвых тел растений и животных не весь фосфор вовлекается в круговорот, часть его вымывается из почвы в водоемы (реки, озера, моря). Там фосфор оседает на дно и почти не возвращается на сушу (лишь его небольшое количество возвращается с выловленной человеком рыбой или с экскрементами птиц, питающихся рыбой). Отток фосфора с суши в океан усиливается вследствие возрастания поверхностного стока воды при уничтожении лесов, распашке почв и внесении фосфорных удобрений. Рис. 6. Круговорот фосфора в биосфере.2.6. Круговорот серы.