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 ее экосфера - 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. У глерод 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 баланс не 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 о кружающей 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 практически не 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.

Дата добавления: 2014-01-07