Глава 1. Предмет и задачи экологии

Введение

Разрушительная деятельность человека часто превышает возможности биосферы компенсировать антропогенные нагрузки и порождает конфликт между обществом и природой, создает проблемы, которые получили название экологических.

Решение экологических проблем требует огромной работы во всех областях науки и техники. И теоретическим фундаментом всей природоохранной деятельности является наука экология.

Экологические проблемы являются общечеловеческими, так как биосфера не признает государственных границ. Общечеловеческие проблемы порождают и общечеловеческие задачи. Сохранить жизнь на Земле – более важной задачи перед человечеством не стоит.

Фундаментальные естественнонаучные дисциплины в технических вузах традиционно были представлены лишь физико-математическими и химическими науками. Теперь в цикл этих дисциплин введена экология с целью повышения экологической грамотности в контексте общечеловеческой культуры и цивилизации.

Данная дисциплина для студентов технических направлений и специальностей призвана:

- познакомить студентов с основами фундаментальной экологии;

- изменить природопотребительскую психологию людей:

-способствовать формированию экологического мировоззрения и представлений о человеке как части природы;

- научить видеть последствия влияния профессиональной деятельности на окружающую среду и здоровье человека;

- убедить в необходимости научно обосновывать природоохранные мероприятия;

- научить находить пути компромисса между экономическими и экологическими интересами людей;

-помочь осознать ценность всего живого и невозможность выживания человечества без сохранения биосферы;

-попытаться научить переводить первозданные природные богатства в категорию экономических ценностей.

 

 

Глава 1. Предмет и задачи экологии

Экология - как наука. Задачи экологии.

Экология - наука о взаимоотношениях живых организмов и среды их обитания.

Термин «экология» в научный обиход введен в 1866 г. выдающимся немецким биологом Эрнстом Геккелем, который образовал его от греческих слов oikos, что означает дом, жилище, и logos - наука, в букваль­ном смысле означает «наука о местообитании». В своем труде «Общая морфология организмов» писал: «Под экологией мы понимаем сумму знаний, относящихся к экономике природы: изучение всех взаимоотношений животного с органическими и неорганическими компонентами среды, включая непременно его дружественные и конфликтные отношения с животными и растениями. Одним словом, экология – это наука, изучающая все сложные взаимосвязи и взаимоотношения в природе, рассматриваемые Дарвином, как условия борьбы за существование».

До середины 19 века развитие экологии неотделимо от развития естествознания, поскольку накопление эмпирических знаний происходило на протяжении всей истории человечества. Вторая половина 19 века была ознаменована новыми открытиями во всех разделах естествознания: клеточная теория М. Шлейдена и Т. Шванна; теория эволюции Ч. Дарвина; геоло­гическая эволюция Ч. Лайеля; явление электромагнитной индук­ции М. Фарадея и Д. Максвелла; закон сохранения энергии Г. Гельмгольца, синтез первых органических соединений Ф. Веллером; периодический закон Д. И. Менделеева; законы наследова­ния Г. Менделя и др.

К началу 20 века, когда экология уже вполне сформиро­валась как новое научное направление в биологии, началось изу­чение надорганизменных биологических систем, и благодаря ра­ботам К. Мебиуса, С. Форбса, Ф. Клементса, А. Тинеманна поя­вилась концепция биоценозов. В 1927 году американский био­лог Ч. Элтон опубликовал первый учебник-монографию по эко­логии, в котором он не только четко охарактеризовал своеобразие биоценотических процессов, определил понятие трофической ниши и сформулировал правило экологических пирамид, но и выделил особое направление - популяционную экологию. В 1926 г. вышел в свет труд В.И. Вернадского «Биосфера», где впервые была показана планетарная роль совокупности живых организмов - «живого вещества», определены его роль и функ­ции и рассмотрена его роль в эволюции биосферы. В 1934 году микробиолог Г.Ф. Гаузе в книге «Борьба за существование» под­робно исследовал межвидовые взаимоотношения типа «хищник-жертва» и сформулировал принцип конкурентного исключения. В 1935 году английский геоботаник А. Тенсли предложил понятие «экосистема» для любой совокупности организмов и неоргани­ческих компонентов, в которой может поддерживаться кругово­рот веществ, а в отечественной литературе представления об эко­системах были развиты в 1942 г. в работах В.Н. Сукачева, обоб­щившего их в учении о биогеоценозе.

В начале 1970-х годов взгляд на экологию как на сугубо биологическую науку изменился: по-прежнему уходя корнями в биологию, экология вышла за ее рамки, став сложной и много­гранной, интегрированной дисциплиной, связывающей естест­венные, общественные и технические науки. Современная экология не только изучает законы функционирования природных и антропогенных экосистем, но ищет оптимальные формы взаимодействия природы и человеческого общества. Следует отметить, что в западной литературе и в ряде наших специальных изданий по биологии термин «экология» час­то употребляют для традиционного круга объектов и методов, а все, что связано с экологией человека, окружающей средой и ох­раной природы называют наукой об окружающей среде (environ­mental science). В отечественной литературе оба эти понятия час­то используют как синонимы.

Сегодня экология превращается из раздела биологии в своеобразную гипернауку, в комплекс фундаментальных и при­кладных дисциплин, в так называемую «боль­шую экологию» или «макроэкологию».

 

В состав макроэкологии входят следующие составные части:

 

Абиотические экологические факторы

 

Абиотические факторы – компоненты неживой природы прямо или косвенно воздействующие на организм. Их делят на несколько групп:

- климатические: свет, температура, давление, влажность, ветер;

- геологические: землетрясения, движение ледников и др.;

- орографические или факторы рельефа: высота местности над уровнем моря, крутизна склона, экспозиция местности и др.;

-эдафические или почвенно-грунтовые: гранулометрический состав, химический состав, плотность и др.;

- гидрологические – течение, соленость и др.;

- физические факторы - это те, источником которых служит физическое состояние или явление.

- химические – это те, которые происходят от химического состава среды.

 

Свет. Энергия солнца.

Свет, как экологический абиотический фактор имеет важнейшее значение. Строго говоря, чаще всего под термином «свет» понимается весь диапазон солнечного излучения. Он распространяется в пространстве в виде электромагнитных волн, представляющий собой поток энергии в пределах длин волн от 150 до 4000 нм. Для организмов важны следующие характеристики: длина волны воспринимаемого излучения, его интенсивность и продолжительность действия. Например, в зависимости от интенсивности освещения все растения подразделяются на светолюбивые, тенелюбивые и теневыносливые. Границы областей воздействия не четки, в общем случае их можно представить следующим образом:

- λ меньше 150 нм – ионизирующее излучение (радиация)

- λ =150-400 нм (~7%) – ультрафиолетовое излучение

- λ =390-400 – 700-760 нм (48%) - видимый свет

- λ =760 и более (45%) – инфракрасное излучение

За пределами ИК радиации располагается область, так называемой, дальней ИК – мощного фактора теплого режима среды, ее биологическое действие рассмотрено выше.

Как известно, не вся солнечная радиация достигает поверхности Земли, поступление ее есть величина относительно постоянная, она слегка варьирует по сезонам года. Проходя через атмосферу часть солнечной радиации, рассеивается молекулами газов воздуха и водяными парами, часть отражается от облаков, часть отражается озоновым слоем (УФ до λ = 320-340 нм).

С участием света у растений и животных протекают следующие важнейшие процессы:

- фотосинтез – образование органического вещества за счет энергии света в клетках растений, водорослей, бактерий;

- транспирация – испарение воды листьями растений, что обеспечивает восходящий поток воды от корней к листьям;

- фотопериодизм – осуществление биологических ритмов, как реакция организма на длину дня;

- зрение у животных – одна из главнейших сенсорных функций, позволяющая вести активный образ жизни;

- синтез пигментов и витаминов – витамин D у млекопитающих, витамины и фитопигменты у растений.

Преимущественное значение для фотосинтеза имеют лучи с λ = 380-710 нм. Этот диапазон называют областью физиологически активной радиации – ФАР. Кроме того, видимая часть спектра важная для ориентации животных в окружающей среде. Зрительная ориентация свойственна большинству дневных животных и используется как источник информации о внешних условиях. Эффективность восприятия зрительных сигналов различна: от простых светочувствительных клеток до сложно устроенных глаз.

Специфическое значение светового фактора заключается в том, что динамика условий освещения оказывает влияние на периодичность явлений в жизнедеятельности организмов. Чаще всего это явление называется биологические ритмы (смена дня и ночи, сезонные изменения). Ритмичность общих проявлений жизнедеятельности характерна всем живым существам. По современным представлениям в основе периодических процессов лежит внутренняя программа, на которую воздействует сложный комплекс внешних условий. Свет представляет собой первичный фактор (но не единственный).

Суточные ритмы – свойственны большинству видов животных и растений. Однако, общий характер активности животных в большинстве случаев определяется такими условиями, как тип питания, взаимоотношения с хищниками, конкурентами, суточные изменения абиотических факторов и т.д. Режим освещения, в данном случае, выступает в роли сигнального фактора, который определяет время начала и окончания активности. Суточные ритмы соответствуют 24 часовому отрезку времени. При детальном изучении явлений суточной активности было показано, что сигнальная роль фотопериода отчетливо проявляется и в условиях неизменной освещенности. Например, при постановке эксперимента: когда подопытные организмы содержали в полной темноте (или при постоянном дне) весь период у них четко прослеживался суточный ритм, свойственный данному виду в естественной обстановке. Однако, при более тщательном изучении было установлено, что время цикла при этом было не 24 часа, а несколько меньше – 22 часа. Таким образом, было доказано, что в основе суточных ритмов жизнедеятельности лежат наследственно закрепленные циклы физиологических процессов с периодом, близким к 24 часам. Циклические процессы такого рода получили название циркадных (циркадианных) ритмов. Характерная особенность этих ритмов – несовпадение их периода с полными астрологическими сутками. В следствии было доказано, что в основе механизма суточной ритмики лежат два основных принципа:

- наличие наследственной программы с периодом около суток;

- и возможностью влияния освещения на реализацию этой программы.

Считают, что несовпадение циркадных ритмов с длительностью астрономических суток открывает возможность сдвига ритмов активности в соответствии со сменой условий в каждом конкретном районе и в разные периоды года. И вот именно в таких случаях основное влияние проявляют внешние «датчики» времени. Чем обусловлен механизм суточных и циркадных циклов до сих пор изучается.

Сезонные ритмы. Большинство организмов, обитающих в условиях сезонной смены климатических режимов, характеризуется наличием периодических сезонных процессов, охватывающих комплекс физиологических систем и обеспечивающих биологически значимые изменения форм деятельности.

У растений это связано с сезонным характером репродукции, определенными сроками образования семян, формированием клубней и других форм запасания питательных веществ зимой, обеспечивающих начало активной вегетации на следующий год. Установлено, что эти процессы имеют генетический запрограммированный характер,

У большинства животных также различные физиологические и биологические процессы проявляются сезонно: размножении, линька, миграция и др. Эволюционно сезонность этих явлений возникла, как приспособление к циклическим изменениям климатических условий.

Отсюда можно сделать вывод о том, что закономерная повторяемость сезонных состояний также формируется в результате взаимодействия врожденных сезонных циклов с информацией о состоянии внешних условий.

Врожденные биологические циклы с окологодовой периодичностью названы цирканными ритмами. Как и циркадные, они основываются на системе свободного времени по принципу биологических часов. В природных условиях эта система находится под контролем внешних факторов.

 

Вода и минеральные соли

Как известно от количества воды и растворенных в ней солей в значительной степени зависит внутриклеточный и межклеточный обмен. Водный обмен организма со средой складывается из двух противоположных процессов: поступление ее в организм и выделение. Водный обмен теснейшим образом связан с обменом солей.

У растений ~5% воды используется для фотосинтеза, 0, 5% всасывается клетками для поддержания тургора, а остальная вода выделяется в процессе испарения листьями. Этот процесс называется транспирацией.

Животные получают влагу в виде питья. Выделение – идет с мочой, экскрементами, путем испарения. Для животных также важным источником воды является пища; при этом значение ее в водном обмене не исчерпывается содержанием воды в тканях кормовых объектов. В процессе окисления органических веществ образуется, так называемая, метаболическая вода. Таким образом, в живых организмах вода присутствует в двух формах: свободной и связанной (около 5% воды связано с белками).

Вода в живых организмах выполняет следующие функции:

1. Она является лучшим из всех известных растворителей. Многие химические реакции в клетке являются ионными, поэтому протекают только в водной среде.

2. Вода как реагент участвует во многих химических реакциях: полимеризации, гидролиза, фотосинтеза и др.

3. Вода является терморегулятором и термостабилизатором.

4. Транспортная функция воды осуществляется в процессе движения вместе с водой растворенных в ней веществ.

5. Структурная функция состоит в том, что у растений вода поддерживает тургор, у некоторых животных является гидростатическим скелетом и др.

Значительные колебания условий обеспечения влагой в разных средах, географических районах вызвало эволюционное становление широкого круга приспособлений к различным условиям.

Экологическое значение воды не ограничивается наличием скоплений ее в водоемах разного типа. В наземной среде роль играют и осадки, и влажность воздуха, и влажность местообитания и т.д. и здесь, как известно, условия водно-солевого обмена не стабильны. Выработка приспособлений к дефициту влаги – это одно из направлений эволюции при освоении различными группами организмов наземной среды. В настоящее время в зависимости от требований к показаниям влажности растения делят на несколько групп:

- гидрофиты – растения увлажненных мест и даже водоемов: тростник, калужница и др.

- гигрофиты – растения в местах с повышенной влажностью воздуха: папирус, рис, росянка, бодяг, недотрога.

- мезофиты – не требуют сильной увлажненности: растения с хорошо развитой корневой системой.

- ксерофитов – обитателей сухих биотопов. В зависимости от способов приспособления к условиям засухи они делятся на:

- суккуленты – способные запасать влагу: кактусы, алоэ и т.д.

-склерофиты – способные к обезвоживанию без патологических последствий, они имеют «сухой» внешний вид: саксаул, оливковое дерево и т.п.

У представителей фауны еще сложнее выражена зависимость от условий влаги. Например: амфибии – позвоночные, которые приспособлены к обитанию в местах с повышенным влагосодержанием.

Продуктивность экосистем

В процессе жизнедеятельности экосистемы создается и расходуется органическое вещество, т.е. соответственно экосистема обладает определенной продуктивностью. Продуктивность оценивают, соотнеся массу вещества (продукцию) с некоторой единицей времени, т.е. рассматривают ее как скорость образования вещества. Различают разные уровни продуцирования:

- Основная, или первичная продуктивность системы определяется как скорость, с которой лучистая энергия Солнца усваивается организмами-продуцентами, т.е. в основном, зелеными растениями в процессе фотосинтеза (или хемосинтеза). Эта энергия материализуется в виде органических веществ тканей продуцентов.

Первичную продуктивность делят на:

-валовую продуктивность;

-чистую (или фактическую) продуктивность.

-Валовая первичная продуктивность - это общая скорость накопления органических веществ продуцентами, включая те, что были израсходованы на дыхание и секреторные функции (~20 %). Например, если за год фотосинтеза растительные организмы леса образовывали 5 тонн органического вещества на 1 га, то это и будет общая первичная (валовая) продуктивность.

Однако в процессе жизнедеятельности растений часть созданного вещества расходуется на дыхание и, следовательно, накапливается биомассы меньше, чем было создано. Тогда скорость накапливания вещества экосистемой за вычетом того вещества, которое израсходовано на дыхание, образуют фактическую или чистую первичную продуктивность сообщества.

Кроме того, выделяют вторичную продуктивность - скорость накопления энергии консументами и редуцентами. Вторичную продуктивность рассчитывают для каждого трофического уровня.

Так чистая первичная продуктивность оказывается доступной растительноядным организмам и через них – плотоядным (консументам). Они в свою очередь тоже образуют органическое вещество за счет чистой первичной продуктивности (но сами создавать органику из неорганики не могут). Продуктивность консументов носит название вторичной продуктивности.

Вторичная продуктивность исключительно низка: при передаче от каждого предыдущего звена трофической цепи к последующему теряется 90 – 99% энергии. Есть конкретные расчеты, что для образования 1 кг говядины, например, необходимо 70 – 90 кг свежей травы.

Кроме того, следует различать продуктивность текущую и общую. Пусть, например, 1 га соснового леса в некоторых конкретных условиях способен за время своего существования и роста образовать 200 м3 древесной массы – это общая продуктивность .

Однако за 1 год такой же создает всего 1, 7 – 2, 5м3 древесины. Этот показатель и есть текущая продуктивность (или годичный прирост).

Продуктивность экосистем и соотношение в них различных трофических уровней принято выражать в форме пирамид. Пирамиды наглядно иллюстрируют соотношение биомасс и эквивалентных им количеств энергии в каждом звене пищевой цепи и используются в практических расчетах при обосновании, например, необходимых площадей под сельхоз культуры с тем, чтобы обеспечить кормами скот. Различают три основных типа экологических пирамид – пирамиды чисел, биомассы и энергии.

Пирамида чисел – распределение особей по трофическим уровням. Зависит пирамида чисел от следующих факторов:

-в любой экосистеме мелкие животные численно превосходят крупных и размножаются быстрее;

- для всякого хищника существует верхний и нижний пределы размеров их жертв. Верхний предел определяется тем, что хищник не в состоянии одолеть большое животное (превышающее размеры его тела), нижний – малый размер – теряется смысл борьбы.

Из этого правила есть исключения: волки убивают оленя (более крупную особь). Змеи, обладая свойствами выделять яд, убивают более крупных животных.

Пирамида биомассы - здесь устранен физический фактор, показаны количественные соотношение массы.

Пирамида энергии из трех рассматриваемых типов экологических пирамид дает более полные представления о функциональной организации сообщества.

В целом, продуктивность – важнейшие для человека свойства биосферы, зависящие от продуктивности слагающих ее естественных антропогенных экологических систем. Благодаря способности экосистемы производить биомассы человек получает необходимые ему вещества и многие технические ресурсы. Проблема обеспечения численно растущего человечества пищей – это проблема повышения продуктивности.

 

Глава 4. Биосфера

Биосфера – это глобальная экосистема, активная оболочка Земли, состав, структура и энергетика которой определяется и контролируется планетарной совокупностью живых организмов – биотой биосферы. Существующая биосфера сформировалась в результате закономерного эволюционного процесса развития нашей планеты в целом.

Первые представления о биосфере, как области жизни были высказаны в начале 19 века Ж. Ламарком. В 1875 году Э.Зюсс впервые ввёл в научную литературу современный термин «биосферы», понимая под ним взаимодействие основных оболочек Земли (атмосферы, литосферы, гидросферы) и живых организмов, их населяющих.

Целостное учение о биосфере принадлежит (1926 г.) В. И. Вернадскому. Именно он отвёл живым организмам роль главнейшей преобразующей силы планеты Земля. Границы биосферы наглядно показывают широту диапазона распространения живых организмов: от высот атмосферы, где царит холод и низкое давление до глубин океана, где давление достигает 12 тыс. атм. Они встречается практически всюду, за исключением обширных оледенений и кратеров действующих вулканов.

 

Структура биосферы

Как любая экосистема она состоит из абиотической и биотической частей.

Абиотическая часть биосферы включает в себя:

-аэробиосферу – нижнюю часть атмосферы до высоты озонового слоя (7-30км);

-гидробиосферу – всю гидросферу, включая Марианскую впадину 11 км;

- литобиосферу – верхние горизонты литосферы (земной коры) примерно до глубины 3 км.

Атмосфера

Атмосферой называется газообразная оболочка нашей планеты. Она выполняет ряд функций в биосфере:

- атмосферный воздух это источник дыхания живых организмов;

- защищает живые организмы на земной поверхности от губительного воздействия ультрафиолетого излучения солнца;

- защищает Землю от метеоритов и космической пыли (за счет магнитного поля Земли);

- служит, так называемой «одеждой» Земли, предохраняющей от потери тепла, излучаемого Землей в пространство;

- является средой для распространения световых и акустических волн.

Отличительными чертами этой земной оболочки являются следующие:

- атмосфера обладает наименьшей массой из всех других сфер планеты, она составляет 1/1000 гидросферы и 1/10000 массы земной коры;

- атмосфера имеет слоистое строение;

- атмосфера обладает высокой подвижностью (время вертикального перемешивания слоя толщиной 11 км – 2, 5 месяца);

- атмосфера характеризуется постоянным составом главных компонентов и высокой изменчивостью малых примесей.

Атмосфера связана с Землей силой тяжести и принимает участие в ее суточном и годовом вращении.

Химический состав основных компонентов атмосферного воздуха сложился в процессе исторического развития нашей планеты и с точки зрения химика представляет собой раствор кислорода, CO₂, инертных газов, метана, водорода в азоте.

Кислород – самый необходимый атмосферный элемент для функционирования биосферы. В атмосфере его конечно меньше, чем в воде (соответственно 23% / 89%), но зато он в значительном количестве находится в свободном состоянии. Обладая высокой химической активностью, он взаимодействует практически со всеми другими компонентами, составляющими атмосферу. Сейчас известны соединения кислорода даже с инертными газами, типа XeO₃ (кроме гелия и неона).

В атмосфере кислород существует в виде двух аллотропных модификаций O₂ и O₃ . Во всех состояниях (газообразных, жидких) кислород парамагнитен и имеет очень высокую энергию диссоциации – 496 кДж/моль. Озон диамагнитен, токсичен, имеет темно-голубой цвет. Озон в атмосфере образуется под воздействием УФ-излучения или электрического разряда. Максимальная концентрация O₃ наблюдается на высотах 25-45км и носит название «озонового слоя» Земли.

Не менее важен и основной компонент азот - N₂ , хотя он и является инертным, не активным в химическом отношении. Энергия диссоциации N₂ = 2N в два раза больше, чем у O₂ (944, 7 кДж/моль). Низкая реакционная способность обусловлена прочностью связи между атомами азота.

Кроме этих компонентов в атмосфере содержатся:

- органические и неорганические соли;

- кислоты почти всех элементов периодической таблицы (почти все антропогенного происхождения);

- органические соединения (около 500 - это ациклические ароматические углеводороды и их производные: альдегиды, кетоны, спирты, кислоты, эфиры).

Кроме соединений в атмосфере содержится большое количество радикалов органического происхождения: CH₃ ˙, C ₂H ₅ ˙ и радионуклидов (т. е. радиоактивных изотопов, которые образуются под воздействием космического излучения Na²² , Be⁷, P³², P³³, C¹⁴ и изотопов искусственного происхождения: C¹⁴, H³, Y¹³¹, Sr ⁹⁰, Cs¹³⁷, Zr ⁹⁵ ).

Все эти составляющие принимают активное участие в различных химических процессах в атмосфере:

- В протекании преобладающих окислительно-восстановительных реакций с участием разных соединений, в основном, с ковалентным типом химической связи;

- В протекании фотохимических реакций;

- В протекании цепных реакций с участием различных радикалов;

- В образовании новых соединений в слое атмосферы (в ряде случаев токсичных).

Рассматривая вертикальное строение атмосферы можно выделить несколько сфер: тропосферу; стратосферу, мезосферу, ионосферу (или термосферу), экзосферу.

Переход от одной сферы к другой характеризуется изменением не только химических компонентов, но и физических параметров, таких как температура, давление и т.п.

Основополагающим фактором при делении атмосферы на слои является температура: в тропосфере температура падает с увеличением высоты, далее в стратосфере она растет (примерно на 50⁰С); в мезосфере – вновь падает и возрастает в термосфере. Это явление носит название температурной инверсии .

Температурные инверсии протекают и в приземном слое атмосферы и оказывают значительное влияние на процессы циркуляции и рассеивания примесей в атмосфере.

Циркуляция атмосферы представляет собой сложную систему воздушных турбулентных течений. (Турбуленция – хаотическое движение воздуха с множеством завихрений). Причинами вызывающими процесс циркуляции атмосферы являются:

- вращение Земли

- неравномерное нагревание земной поверхности солнцем - меньшее у полюсов и большее у экватора.

Циркуляция атмосферы очень важна, так как она способствует сглаживанию контрастов температур; осуществляет перенос водяного пара; усредняет состав основных компонентов воздуха.

 

Литосфера

Литосфера- твердая оболочка Земли. Верхний слой литосферы это Земная кора. По современным данным толщина этой оболочки изменяется от 6 км под дном океана до 70 км в горных районах. Далее следует внутренняя оболочка литосферы - «мантия» Земли. Границей раздела этих оболочек является так называемая граница Мохоровича.

Обычно информацию о границах земной коры, границе Мохоровича и мантии получают на основании данных о скорости прохождения сейсмических волн через земные недра. При переходе от земной коры к мантии происходит скачкообразное изменение в распространении волны.

Внутренняя оболочка (мантия) включает в себя так же несколько слоев:

-верхнюю мантию (слои В и С) до глубины 2900км

-внешний слой ядра (2900 - 4980км)

-переходная зона ядра (4980 - 5120км)

-внутреннее ядро (5120 – 6370км)

Установлено что плотность земного вещества с глубиной возрастает. На этом основании предполагается, что в составе мантии преобладают более тяжелые химические элементы (Fe, Cr, Mg). Повышенная текучесть вещества в мантии обуславливает перемещение литосферных плит. В этой зоне зарождаются экологически значимые процессы: сейсмические, вулканические, горообразовательные и др., определяющие степень стабильности участков земной коры. Но до сих пор нет единого мнения о химическом составе внутренней оболочки ядра и глубинного строения Земли. Имеются предположения, что в условиях высокого давления и температуры (выше 3000⁰С) происходит переход вещества внутреннего ядра в фазу, при которой электронные оболочки атомов разрушаются и образуются так называемые «гигантские кольцевые вихри электронов». Возможно, они и создают постоянное магнитное поле Земли. Ядро совместно с мантией формируют гравитационное полк Земли.

Наиболее изученной частью Земли является ей верхний слой – земная кора. Среднее содержание химических элементов в земной коре впервые определил американский геохимик Ф. Кларк: 99% земной коры состоят всего из 9 химических элементов, на долю остальных элементов приходится всего 0, 52%. Кислород, кремний, алюминий – являются главными элементами земной коры. На их долю приходится 85, 6% её массы. Далее идут: Fe, Ca, K, Na, Mg, Ti. При этом следует особо отметить, что кислород по объему занимает 92% (т.е. земная кора представляет собой, в основном связанные элементы с кислородом). Рассеянные элементы (которых совсем немного) распределены в земной коре неравномерно, поэтому выделяют определенные территории, которые называют геохимическими провинциями , где концентрация их значительно выше, чем в других местах. Пример: район Уральских гор, характеризуется повышенным содержанием Cu, Cr, Ni.

Природные химические соединения (которые в основном образуют земную кору) принято называть минералами. Минералы – это однородные по составу и строению природные химические соединения, возникающие вследствие различных химических и физико-химических процессов в земной коре. Минералы встречаются в твердом, жидком (вода, нефть) и газообразном состоянии. Известно около трех тысяч минералов; 30 из них образуют горные породы (т.е. геологические тела более или менее постоянно минералогического (химического) состава). Это такие основные минералы: как полевые шпаты (ортоклаз - K[AlSi3O8], нефелин K[AlSiO4] ), кварц (SiO2), слюды (биотит, мусковит).

В зависимости от условий образования горные породы принято делить на три главные группы: магматические, осадочные, метаморфические. Верхний слой земной коры на 95% сложен из магматических пород, 1% - осадочных, 4% - метаморфических.

Магматические породы – возникают при затвердевании магматического расплава на поверхности или глубине земной коры. Это сложный раствор силикатного состава. При застывании магмы образуется крупнокристаллические структуры интрузивных пород: гранит, диорит, габбро, перидотит. Их плотность в этом ряду возрастает, а содержание SiO2 убывает.

Осадочные породы образуются путем отложения материала разрушенных или растворенных горных пород любого генезиса, как на суше, так и в море, осадочные породы залегают слоями. По составу и происхождению осадочные породы подразделяются на обломочные, хемогенные и биогенные. Обломочные – это продукты механического разрушения коренных исходных пород (глина, песок, гравий, галька, щебень, валуны). Хемогенные породы образуются из естественных растворов вследствие выпаривания воды. Это: каменная соль NaCl, гипс CaSO4 · 2H2O, известняки CaCО3 и т д. Биогенныепороды образуются вследствие жизнедеятельности живых организмов. Это либо продукты их жизнедеятельности, либо их неразложившиеся остатки. Их делят на карбонатные, кремнистые, фосфатные.

Метаморфические породы – формируются путем преобразований магматических и осадочных пород в глубинах земной коры, под воздействием высоких температур и плотности. Различают метаморфизм 2-х видов – контактный и региональный (обусловлен давлением вышележащих слоев и тепловыми потоками из глубин). К наиболее распространенным метаморфическим породам относятся: сланцы, гнейсы, кварцы, мрамор.

Длительный промежуток времени почва рассматривалась, как разновидность горных пород, т.е. термин «земля» и «почва» были равнозначны. Лишь в 1874г. В.В. Докучаев дал первое научное определение понятия «почва». Он доказал, что именно в почве переплетены и взаимосвязаны геологические и биологические процессы Земли.

Почвенный покров Земли представляет собой тончайшую оболочку планеты, которая является источником существования множества живых организмов. Процесс перехода горной породы в качественно новое состояние под воздействием живых организмов называются почвообразованием. При этом протекают химические, физические и биологические процессы.

 

Гидросфера

Гидросфера- водная оболочка Земли, совокупность океанов, морей, водных объектов суши (реки, озера, болота водо­хранилища), подземных вод, включая запасы воды в твердой фазе (ледники, снежный покров). Гидросфера Земли представляет собой единую водную оболочку, основным компонентом которой является хи­мическое соединение Н₂О. Гидросфера - это глобальная откры­тая система, а вода в ней - самое распространенное на Земле ве­щество.

Вода - единственное химическое соединение, которое в природных условиях существует в виде жидкости, твердого ве­щества (лед) и газа (пары воды). Н₂О - соединение с ковалентным типом химической связи, представляет собой бесцветную прозрачную жид­кость, без запаха, обладающую рядом аномальных физико-химических свойств:

- высоким поверхностным натяжением и зависящим от него значительным капиллярным поднятием, что обеспечивает питание растений по корневым системам;

- высокими температурами замерзания и кипения;

- удельные энтальпии испарения и плавления Н₂О (в расчете на 1г) выше, чем у большинства веществ;

- плотность воды в жидком состоянии больше плотно­сти льда, поэтому лед плавает на поверхности воды, и природные водоемы не промерзают до дна.

Эти аномальные свойства воды объясняются существо­ванием в ней водородных связей, которые связывают молекулы Н₂О в газообразном, жидком и в твердом состояниях.

Природная вода - это раствор многих веществ, в том числе солей, газов, а также веществ органического происхожде­ния, некоторые из них находятся во взвешенном состоянии. В большинстве случаев природная вода имеет атмосферное проис­хождение (дождевая вода), реже - глубинное (конденсация паров, поднимающихся из недр Земли)

Существует несколько классификаций химического со­става природных вод. В гидрохимии компоненты химического состава при­родных вод делятся на шесть групп:

1.Главные ионы (макрокомпоненты): К⁺, Na⁺, Mg²⁺, Са²⁺, СL^-, SO₄^2-, НСО₃^-, СО₃^2-.

2. Растворенные газы: О₂, N₂, H₂S, NH₃, CH4 и др.

3. Биогенные вещества (продукты жизнедеятельности организмов), главным образом, неорганические соединения азота и фосфора.

12345678Следующая ⇒

Поделиться: