Состав и строение литосферы, гидросферы и атмосферы. Учение о биосфере.

Цель лекции

1. Перед тем, как приступить к изучению влияния горного производства на окружающую среду, необходимо уяснить ряд основопологающих вопросов экологии, целью чему служит данная лекция

План лекции

1. Литосфера

2. Гидросфера

3. Абиотический круговорот веществ на планете

4. Роль живых организмо в формировании биосферы

5. Биотический круговорот веществ в биосфере

6. Природные экологические системы.

Ключевые слова

литосфера, земная кора, мантия, биокосное тело, почва, фотосинтез, гидросфера, круговорот воды, атмосфера, абиотический круговорот, биотический круговорот, биосфера, живое вещество, биоценоз, биогеоценоз, экологическая система, транспирация, численность популяции.

Текст лекции

Литосфера

Литосфера—внешняя, относительно прочная оболочка Земли. Включает земную кору и часть верхней мантии Земли. Нижняя граница литосферы нерезкая и выделяется по уменьшению вязкости, скорости распространения сейсмических волн и увеличению электропроводимости. Мощность литосферы под океанами составляет 5—100 км, максимальная под континентами 25—200 км.

В строении земного шара выделяют внешнюю оболочку — земную кору, промежуточную часть — мантию и внутреннюю — ядро.

Земная кора —верхняя тонкая оболочка, имеет мощность 70—75 км под континентами и 5—7 км под океанами.

Мантия Земли простирается до глубины 2900 км, плотность ее выше плотности коры и колеблется от 3, 3 г/см3 в верхней части до 6—9 г/см3 в нижнем слое. На глубине 900 км проходит граница, разделяющая мантию на верхнюю и нижнюю части.

Ядро Земли, которое включает центральную часть планеты, по своему строению также неоднородно. Выделяют внешнее и внутреннее ядра, граница между которыми лежит на глубине 5000—5200 км.

Земная кора наиболее изучена и в настоящее время представляется как слоистая сложная оболочка. Мощность земной коры на разных участках Земли не одинакова. На континентах при гористом рельефе местности мощность коры больше. Например, под Гималайским хребтом, высота которого около 9 км, мощность земной коры достигает 75 км, тогда как в пределах Западно-Сибирской низменности — 35—40 км.

Основная площадь Земли занята двумя пологими поверхностями — равнины суши и равнины океанического дна. Между ними имеет место значительный перепад высот.

Переход суши в океаническое дно начинается с участка, уклон которого незначителен, и составляет 1, 5—2 м на 1 км (рис. 2.1). Эта мелководная область вокруг материка, которая в среднем простирается на 80 км, составляет континентальный шельф. Континентальный шельф ограничен резким перегибом (обрывом), где через 30—35 км глубина океана достигает 3 км. В ряде районов средний уклон дна составляет 30°. Эта область с резким перепадом глубин называется континентальным склоном. Далее, после небольшой переходной области лежат абиссальные равнины—-обширная область с глубиной 3, 7—6 км. Абиссаль в ряде мест пересекается подводными хребтами и впадинами, наибольшая глубина которых достигает 10—11 км.

Жизнь в литосфере концентрируется только в поверхностном слое земной коры, в основном в почве. Почва — это наружные верхние горизонты горных пород, измененные совместным влиянием воды, воздуха и деятельностью живых организмов. В. И. Вернадский характеризовал почву как биокосное тело, состоящее одновременно из остатков живых организмов и косных (неорганических) веществ. Почва возникла на земле вместе с живой материей и дальнейшее ее развитие связано с жизнедеятельностью большого числа растений, животных и микроорганизмов.

Почва как среда обитания обладает рядом особенностей. Она представляет собой трехфазную систему. Первая, твердая, фаза состоит из различных по величине твердых частиц; вторая, жидкая, представлена почвенной влагой; третья, газообразная, — газами, заключенными в порах и растворенными в воде. Организмы, обитающие в почве, должны преодолевать сильное механическое сопротивление, испытывать значительные колебания температуры, недостаток света и воздуха, влияние растворенных в воде солей. Основная масса организмов, существующих в литосфере, сосредоточена в пределах слоя почв, глубина которого в большинстве случаев не превосходит нескольких метров.

Почвы образованы из смеси минеральных веществ, возникших в результате разрушения горных пород, с органическими веществами — продуктами жизнедеятельности и разрушения организмов, главным образом растений. Эти продукты частично накапливаются на поверхности почвы (листья, сухие ветки и т.д.), частично на некоторых глубинах (например, отмершие корни). Важную роль в процессе разложения органического вещества, поступающего в почву, играют различные микроорганизмы, грибы и разнообразные почвенные животные.

Именно в результате разложения органического вещества в почве создаются запасы углерода, азота, фосфора, кадня, магния и других элементов в форме, доступной для использования высшими растениями. Вследствие этого почвы оказывают большое влияние на продуктивность растительного покрова. Выделение углекислого газа пополняет его массу в атмосфере и в гидросфере, компенсируя расход его на фотосинтез.

Гидросфера

Г и д р ос фе р а — водная оболочка нашей планеты, включает в себя все поверхностные воды, а также воду, находящуюся в пределах литосферы и атмосферы.

Основная часть поверхностных вод заключена в Мировом океане, который занимает около 71% поверхности земного шара. Океан включает ~98% общего запаса свободной воды. При этом океанические воды содержат значительное количество солей (в среднем около 35 г/л). Соленость несколько повышается в субтропическом поясе высокого, давления, где испарение с океанов превышает осадки, и уменьшается вблизи экватора, а также в средних и высоких широтах, где осадков больше, чем испарения. Большую часть растворенных солей составляет хлористый натрий (78%), затем хлористый магний (11%). Среднее содержание катионов и анионов в морской воде показано в табл. 2.1.

Из газов, растворенных в водах океанов, наибольшее значение для организмов имеют кислород и углекислый газ. Количество кислорода в океанических водах изменяется в широких пределах в зависимости от температуры, а также от деятельности живых организмов и некоторых других факторов. Концентрация углекислого газа в океане также изменчива, но общая масса С02 в нем примерно в 60 раз превосходит его количество в атмосфере.

Углекислый газ океанических вод усваивается растениями в ходе фотосинтеза, причем та его Часть, которая вошла в круговорот органического вещества, расходуется на построение Известковых скелетов и панцирных покровов различных живых существ. Эта масса океанического углекислого газа после гибели организмов частично возвращается в океан при растворении остатков скелетов погибших организмов, частично выпадает на дно океана в виде карбонатных осадков.

Воды океана находятся в постоянном движении, главный источник энергии которого —- различия в нагреве его поверхности на разных широтах и динамическое воздействие движущегося воздуха над поверхностью.

Верхний слой океанических вод сильно перемешан под влиянием движения волн, в этом слое скорости течений максимальны. Начиная с глубин в несколько сот метров, скорости движения воды обычно невелики и Перемешивание ее меньше. Температура океанической воды в низких широтах убывает с глубиной (ниже 2 км 1—2°С). В высоких широтах вертикальный градиент температуры мал, и на всех глубинах она только немного превосходит точку замерзания соленой воды.

В арктической и антарктической зонах значительные пространства океанов закрыты ледяными полями, средняя толщина которых доходит до нескольких метров. Площадь, занимаемая льдами, изменяется в течение года, достигая максимума весной и минимума в конце лета.

Водность рек и озер в течение года меняется. Это объясняется неравномерностью осадков, а также климатическими факторами, вызывающими таяние снега и ледников. В период весеннего полноводия расход отдельных рек составляет 60% и более от годового стока.

Большое значение для обеспечения чистой пресной водой населения имеют болота, которые занимают 3, 5 млн. кмг. Болота, т.е. сильно увлажненные участки поверхности земли, играют роль губки, которая вбирает в себя избыток воды во влажные периоды и отдает в сухие. Болота являются крупными хранилищами пресной воды, служат естественным фильтром. Это мощные очистные сооружения, где загрязненная вода превращается в чистую пресную воду родников, лесных речек и озер. При уничтожении болот наблюдается обмеление крупных рек, уничтожаются первозданные флора и фауна. А на осушенных участках, где раньше были болота, через два-три года урожайность культур падает и интенсивно развивается ветровая эрозия почв.

Подземная гидросфера включает в себя следующие воды: в форме пара, в твердом состоянии, физически связанная, свободная в парокритическом состоянии, химически связанная.

В объеме, который ограничивается сверху земной поверхностью, а снизу постоянным уровнем подземных вод, водяной пар заполняет не занятые жидкой фазой пустоты в массиве горных пород. Проникая сверху, он конденсируется и служит одним из источников свободных подземных вод. Большое количество пара образуется при выходе перегретых вод на поверхность земли в гейзерах и вулканах.

Вода в виде льда встречается в толще многолетних мерзлых пород, мощность которых местами достигает 1 км. На территории СССР такие породы встречаются на площади, равной ~47%. Лед в массиве наблюдается в виде жил, распространяющихся по трещинам и прослоям, и отдельных кристалликов.

Физически связанная вода находится во взаимодействии с частицами пород, слагающих массив. Ее количество в единице объема породного массива определяется размерами минеральных частиц. Чем меньше размер частиц, тем больше ее.

влажность — количество физически связанной воды присутствует в единице объема данной породы. Особенно велика влажность глины (более 50%).

Свободная вода представлена капиллярными и гравитационными водами. Капиллярная вода заполняет поры пород выше уровня подземных вод и передвигается под влиянием сил поверхностного натяжения. Высота подъема капиллярной воды достигает 6 м и более. Гравитационная вода образует скопление подземных вод в трещинах и порах массива горных пород. Она передвигается под действием гравитационных сил. Различают воду инфильтрующуюся, которая просачивается сверху вниз, и фильтрующуюся, двигающуюся по водоносному пласту. Количество гравитационной воды зависит от гранулометрического состава, пористости и трещиноватости горных пород. В глине гравитационная вода практически отсутствует (коэффициент водоотдачи менее 1'%). В песчаниках и гранитных породах коэффициент водоотдачи может достигать 30%.

Нижняя граница подземных вод достигает глубины критических температур и давлений: 12—16 км на континентах и 2— 3 км в местах современного вулканизма. Глубже вода находится в парокритическом состоянии, когда скорости молекул достигают скорости движения их в газах, а плотности приближаются к единице. Здесь стираются фазовые различия воды, характерные для нормальных условий. Основные отличительные свойства воды в надкритическом состоянии — высокая ее подвижность и возросшая более чем в десятки раз растворяющая способность.

Химически связанная вода входит в Состав кристаллической решетки минералов. Отделение кристаллизационной воды осуществляется при температуре 300—400 °С и приводит к разрушению кристаллической решетки и образованию новых соединений.

Круговорот вод глубоких горизонтов происходит очень медленно, и один цикл продолжается многие тысячи лет, а в ряде Случаев несколько миллионов лет.

В процессе круговорота воды на планете большое значение имеют атмосферные осадки, т. е. вода, которая содержится в атмосфере и под действием воздушных потоков перемещается на большие расстояния. Известно, что на поверхность нашей планеты в среднем за год выпадают осадки, равные 1 м. Однако распределяются они по поверхности земли неравномерно. Наибольшее Их количество приходится на тропические зоны (от 10" с. ш. до 10е ю. ш.). Например, на территории некоторых районов Индии количество осадков в год превышает 12 м, тогда как в ряде районов экваториальной зоны их практически нет. В пустынях, которые занимают 25% материков, осадки в среднем не превышают 200 мм в год.

Неравномерность выпадения осадков наблюдается и в течение года. Так, до 2/з их количества выпадает: в тропиках, в муссонных областях — летом; в субтропиках — зимой; в районах е континентальным климатом — летом.

На количество осадков в основном оказывают влияние температура воздуха и близость больших водоемов. В теплых экваториальных районах в результате испарения больших масс воды влажность воздуха повышается и соответственно увеличивается количество осадков. В южном полушарии, где большие пространства заняты морями и океанами, осадков больше, чем в северном.

Физические и химические процессы в гидросфере тесно связаны с аналогичными в атмосфере. Преобразование энергии, круговорот воды, углекислого газа, ряда других составляющих воздуха и воды осуществляются в гидросфере и атмосфере как в единой системе.

3. Абиотический круговорот веществ на планете

В природе постоянно происходят процессы, обеспечивающие круговорот твердых минеральных веществ и воды. При этом в общем едином кругообороте выделяются кругооборот твердого вещества и воды, происходящий в результате действия абиотических факторов (большой геологический кругооборот), а также малый биогенный кругооборот веществ в твердой, жидкой и газообразной фазах, происходящий при участии живых организмов.

Большой геологический кругооборот веществ на планете осуществляется в результате действия множества абиотических факторов. Следует отметить, что из большого числа существующих гипотез, объясняющих процессы кругооборота веществ на планете, еще не выделилась такая, которая смогла бы одновременно объяснить все многообразие происходящих явлений.

Установлено, что под действием поверхностных и подземных вод в Мировой океан ежегодно выносится 12 км3 минерального вещества. В результате ежегодно с поверхности континентов в среднем снимается слой мощностью около 0, 08 мм (табл. 2.2).

При таких темпах разрушения поверхности все континенты были бы уничтожены в течение 10—11 млн. лет. Однако этого не происходит, так как в противовес процессу разрушения материков сверху, действует другой глобальный, обеспечивающий подъем вещества из глубин мантии. Используя основные положения гипотезы о глобальной тектонике или тектонике лито-сферных плит, можно представить глобальный кругооборот твердого вещества. Гипотеза предполагает существование горизонтальных перемещений мощных литосферных плит, толщиной 100—150 км.

При этом в пределах срединноокеанических хребтов, так называемой зоны рифтов, происходят разрыв и раздвигание литосферных плит с образованием молодой океанической коры (рис. 2.2). Это явление называют спредингом океанического дна. Таким образом, на поверхность из глубин мантии поднимается поток минеральных веществ, образующий молодые кристаллические породы. В противовес этому процессу в зоне глубоководных океанических желобов постоянно происходит надвигание одной части континентальной плиты на другую, что сопровождается погружением периферийной части плиты в мантию, т. е. часть твердого вещества земной коры переходит в состав мантии земли. Процесс, происходящий в океанических глубоководных желобах, назван субдукцией океанической коры.

Таким образом, в зонах спрединга происходит постоянное обновление литосферы, в зонах субдукции — ее поглощение и последующее распространение в мантии.

Гипотеза тектоники плит по сравнению с другими лучше объясняет эволюцию литосферы и действующий кругооборот твердого вещества на планете.

Круговорот воды на планете действует повсеместно и непрерывно. Движущие силы круговорота воды — тепловая энергия и сила тяжести. Под влиянием тепла происходят испарение, конденсация водяных паров и другие процессы, на что расходуется около 50% энергии, поступающей от Солнца. Под влиянием силы тяжести — падение капель дождя, течение рек, движение почвенных и подземных вод. Часто эти две причины действуют совместно: например, на атмосферную циркуляцию воды влияют как тепловые процессы, так и сила тяжести.

Атмосферное звено круговорота характеризуется переносом влаги в процессе циркуляции воздуха и образованием атмосферных осадков (рис. 2.3). Режим циркуляции атмосферного воздуха из года в год остается примерно постоянным, но характеризуется существенной сезонной изменчивостью. Расчеты показывают, что средний слой осадков составляет на суше 765 мм, в океане—1140 мм. а в целом для всего земного шара — 1030 мм, т.е. немногим более 1 м. По объему соответствующие величины равны: для суши—113, 5 тыс. км³ (22%), для океана— 411, 6 тыс. км3 (78%), для всего земного шара — 525, 1 тыс. км3. На сушу переносится значительное количество влаги, испаряемой в океане (40—43 тыс. км3), в итоге она получает часть влаги за счет океана. Разница между переносом воздушной влаги на сушу с океана восполняется последнему за счет стока речных и подземных вод.

Для океанического звена круговорота наиболее важным является процесс испарения воды, в результате которого непрерывно восстанавливается содержание водяного пара в атмосфере. Более 86% влаги поступает в атмосферу за счет испарения с поверхности океана и только 14% —с суши.

Важный элемент океанического звена круговорота воды — перенос огромных масс морских вод морскими течениями. Для полного водообмена Мирового океана требуется примерно 60 лет; наименее интенсивно происходит водообмен Тихого океана (более 100 лет), для Атлантического океана требуется около 50 лет, для Индийского — 40 лет, столько же лет в среднем необходимо для Северного Ледовитого океана.

Полный обмен воды в реках осуществляется в значительно более короткие сроки, чем в морях и океанах, и зависит от интенсивности выпадения осадков и площади района, с которого собирается влага.

Роль рек в процессе круговорота заключается в возвращении океану той части воды, которая в виде пара переносится атмосферой с него на сушу. Все источники питания рек делятся на две группы — поверхностные и подземные. Поверхностный сток, или вода, стекающая в русла рек по поверхности почвы, может быть разного происхождения. От таяния снежного покрова образуется снеговой сток, при выпадении дождей — дождевой. В особую группу выделяется высокогорный снеговой (т.е.

от таяния многолетних снегов) и ледниковый стоки. Различие в снеговом стоке равнинных и высокогорных районов заключается в том, что первый обычно наблюдается весной, а в горах и на Крайнем Севере — летом.

С точки зрения интересов человека поверхностный сток воды с территории полей, лугов, лесов имеет больше отрицатель-ное воздействие, чем положительное.

Во-первых, он — источник безвозвратных потерь воды для сельскохозяйственных полей, что особенно ощутимо в районах недостаточного увлажнения. Во-вторых, в процессе стекания воды по поверхности происходит смыв почвы, образуются промоины и овраги, в горах возникают грозные явления — грязекаменные потоки — сели; эрозия наносит огромный вред хозяйству. В-третьих, поверхностный сток образует паводки, вызывающие разливы рек и наводнения, наносящие большой ущерб хозяйству.

Озерное звено круговорота воды неразрывно связано с речным. Озер, в которые реки не впадают, очень мало. Испарение с поверхности озер больше, чем с суши. Например, с Каспийского моря ежегодно испаряется слой почти в 1 м, а в прибрежных районах 200—300 мм, т. е. в 3—4 раза меньше, чем с поверхности воды. В районах, лучше увлажненных (на севере или в экваториальной зоне, где в почвенном покрове почти всегда имеется влага), разница в количестве воды, испаряющейся с поверхности суши и озер, уменьшается.

Атмосфера получает ежегодно примерно 500—600 км3 воды за счет испарения с поверхности озер. Если оценить эту роль озер, включая болота, также расходующие на испарение больше воды, чем окружающие незаболоченные части суши, то указанная величина увеличивается примерно в 3 раза и достигает 3% общего расхода воды на испарение с суши.

Главная роль проточных озер в круговороте воды — регулирование речного стока, его выравнивание во времени. Примерами могут служить р. Нева, сток которой хорошо зарегулирован целой системой озер, в том числе крупнейшими в Европе — Ладожским и Онежским. Река Ангара зарегулирована озером Байкал. Другой классический пример — сток р. Святого Лаврентия, зарегулированный системой Великих озер.

Водорегулирующее значение еще в большей степени имеют искусственные озера — водохранилища. На земном шаре создано около 1350 водохранилищ, имеющих объем более 100 млн. м3 (в СССР их более 150).

Процесс регулирования увеличивает ресурсы пресных вод, позволяет уменьшить паводки и тем самым снизить масштабы речных разливов и ущерб, вызываемый ими. Однако значительные потери нанесены за счет вывода из использования больших площадей плодородных земель.

Важнейшим элементом в общем круговороте являются подземные воды. Их запасы в недрах очень велики. Подземные моря имеются на всех материках, включая районы пустыни. Так, например, в самой большой на земле пустыне Сахаре подземные воды прослеживаются на глубине 150—200 м. Уровень подземных вод на территории пустыни Каракумы проходит на глубине 30 м.

Важной отличительной особенностью подземных вод является то, что они достаточно хорошо защищены от загрязнений с поверхности, имеют постоянные состав и температуру и распространены по территории континентов более равномерно.

В верхней части земной коры в зоне активного водообмена залегают подземные поды, дренируемые речными долинами, озерами и морями. Благодаря интенсивному водообмену и относительно частым переходам через фазу конденсации атмосферной влаги эти воды слабо минерализованы, они практически пресны.

Явлению естественного дренажа подземных вод принадлежит исключительно важная роль в круговороте. Водный режим рек в значительной степени зависит от режима подземных вод. При отсутствии подземных вод вода в реках появляется во время дождей или при снеготаянии, а в остальное время они пересыхают. Реки с таким режимом распространены в зоне сухой степи и в пустыне. Примером могут служить реки Южного Заволжья и равнинной части Казахстана. Использование водных ресурсов таких рек возможно лишь путем создания больших водохранилищ, собирающих паводковые воды и в какой-то мере заменяющих подземные.

Количество подземных вод, попадающих с суши непосредственно в море, минуя реки, невелико по сравнению с объемом подземных вод, дренируемых реками. Примером может служить Каспийское море. Суммарный приток воды в Каспий составляет в среднем около 300 км3. Из этого количества только 5 км3, или менее 2%, по приблизительной оценке, приходится на подземные воды, попадающие в море, минуя реки.

Распределение подземных вод по территории и интенсивность их возобновления связаны с геологическим строением и географической зональностью. Оба этих фактора тесно взаимосвязаны, и не всегда возможно их разделение. В настоящее время установлено, что комплекс условий и компонентов приро ды (климат, почвенный покров, рельеф, растительность) оказывает существенное влияние на формирование подземного стока. Особенно это относится к подземным водам, дренированным реками.

Геологическое строение заметно влияет на местный круговорот воды и на водный баланс в целом. Большое влияние оказывает карст. В закарстованных районах горные породы (обычно известняки или гипсы) интенсивно выщелачиваются, в результате чего создаются пустоты, подземные водоемы, в которых свободно циркулирует вода, просочившаяся с поверхности.

В условиях полной закарстованности и легкой проницаемости верхних слоев пород и почв вода быстро просачивается вглубь. В результате реки становятся более водоносными, а расход воды на испарение снижается. Например, Армянское нагорье, сложенное вулканическими туфами, отличается почти полным отсутствием поверхностного стока, так как при выпадении осадков и снеготаянии вся вода быстро просачивается вглубь и питает подземные воды. В этих условиях формируются обильные источники подземной воды.

Выделение почвенных вод (почвенной влаги) в особое звено круговорота объясняется тем, что она отличается от подземных вод рядом особенностей. Во-первых, почвенная влага связана с биологическими процессами и с характером погоды в гораздо большей мере, чем подземные воды. Во время дождей или при снеготаянии происходит инфильтрация, обогащающая почву влагой, а в сухое время влага быстро расходуется на испарение. По этой причине содержание воды в почве на большей части суши бывает неустойчивым. Испарение происходит не только с поверхности почвы; почвенная влага расходуется также на транспирацию, которая представляет важный процесс жизнедеятельности растений, причем корни растений поглощают влагу с той глубины, на которую они распространяются.

Часть почвенной влаги идет на питание подземных вод, которое очень интенсивно происходит в местах большого увлажнения почвы, особенно в лесах, где почвенный покров сильно разрыхлен корневой системой растений и поэтому обладает высокими инфильтрационными и водопроводящими свойствами. В засушливых районах просачивание почвенной влаги незначительно, поэтому возобновимые запасы подземных вод в таких условиях меньше, чем в хорошо увлажненных районах. С этим явлением в значительной степени связана зональность подземных вод.

Хотя единовременный объем почвенной влаги относительно невелик, она быстро сменяется и играет большую роль в круговороте воды. Таким образом, почвенное звено круговорота оказывает большое влияние не только на формирование подземных вод, но также и на водоносность и водный режим рек.

⇐ Предыдущая 123 4 5 6 Следующая ⇒