Биосфера — глобальная экосистема Земли

Вопросы коллоквиума

1. Фазовое пространство для идеального газа. Микросостояние и макросостояние. Фазовый ансамбль. Число степеней свободы. Число микросостояний. Плотность микросостояний фазового ансамбля. Теорема Лиувилля.

2. Каноническое распределение. Условие применимости. Статистический интеграл. Свободная энергия. Применение к идеальному газу. Статистический интеграл поступательного движения частицы.

3. Распределение энергии частицы по степеням свободы для гамильтониана со степенными зависимостями. Неустранимая погрешность измерительного прибора с упругой силой.

4. Распределение Максвелла по модулю скорости и по энергии для концентрации частиц. Наиболее вероятные и средние значения.

5. Распределение Больцмана по координатам для концентрации частиц. Формула Больцмана для однородного поля тяжести.

6. Термодинамические потенциалы. Внутренняя энергия. Химический и электрохимический потенциал. Условие равновесия системы. Химический потенциал и статистический интеграл. Зависимости химического потенциала.

Биосфера (экосфера) — область активной жизни, охватывающая нижнюю часть атмосферы, гидросферу (от греч. Нуdõr — вода) и верхнюю часть литосферы (земной коры) (от греч. lithos — камень). Это область существования живых организмов. Впервые понятие «биосфера» ввел в язык науки в 1875 году австрийский геолог Э.Зюсс. Он понимал под биосферой тонкую пленку жизни на земной поверхности. Роль и значение биосферы для развития жизни на нашей планете оказались настолько велики, что уже в первой трети XX в. возникло новое фундаментальное научное направление в естествознании — учение о биосфере, основоположником которого является великий русский ученый В. И. Вернадский, который полвека спустя (1926) создал учение о биосфере как планетарном сообществе живых организмов. В биосфере живые организмы, или живое вещество — биота, и среда их обитания находятся в нерасторжимом органическом взаимодействии, составляя динамическое целое. Биосфера существует прежде всего благодаря этому динамическому равновесию в ней между биотой и косной, неживой материей. Между ними существует динамическое равенство притока и оттока энергии. Это держит биосферу в качественно устойчивом состоянии, а различные изменения в ней являются закономерными сукцессиями для какого-либо географического места или какого-либо геологического времени, не колеблющими ее равновесие.

В биоте животворящая роль принадлежит растениям. Благодаря фотосинтезу они из абиотического, неживого вещества — углекислого газа, воды и минеральных растворов в почве создают с помощью энергии солнечного излучения живое вещество своего организма, то есть выводят органическое из неорганического, живое — из мертвого. Колоссальное количество солнечной энергии, взятое растениями для своей жизни, не пропадает, а передается другим организмам через питание или идет на образование кислорода, непрерывно обогащающего атмосферу. Благодаря бактериям одновременно с фотосинтезом в биосфере идет разложение, распад органических веществ и превращение их в минеральные соединения, углерод, азот, обогащающие почву; углекислый газ, уходящий в атмосферу, а все это — составляющие для нового, непрерывно появляющегося живого вещества. Круговорот веществ в биосфере идет с совершенно невообразимой интенсивностью. Для жизни в этом могучем движении главными являются кислород, углерод и азот.

Биота - живое вещество биосферы — в свою очередь, неустанно влияет на се абиотические составляющие — атмосферу, гидросферу и литосферу. Она обогащает их. Установлено, например, что большая часть углекислого газа и кислорода в атмосфере и гидросфере биогенного (от живых организмов) происхождения.

За один год на Земле образуется до 175 млрд. тонн углерода. При усвоении растениями одной тонны углерода в ходе поглощения ими углекислого газа в атмосферу выделяется 2,7 тонны чистого кислорода. Живые организмы накапливают и перемещают в воде, донных осадках и почве углерод, кислород, кальций, фосфор, серу, йод, железо, марганец и многие другие элементы. Живые организмы, вымирая, образуют многие полезные ископаемые: уголь, нефть, горючий газ, яшмы, известняки, мел, фосфориты, торф и др.

Взаимодействие живых организмов и их среды образует экосистемы разного масштаба:

микроэкосистемы — например, ствол гниющего дерева; мезоэкосистемы (от греч. теsos - средний) — лес, озеро и т.п. макроэкосистемы — океан, континент и т. п., а в целом — единую глобальную экосистему — биосферу.

Биота меняет химический состав атмосферы. Прежде эти изменения происходили за миллионы лет, теперь — несоизмеримо быстрее. Вернадский считал научную мысль социального существа — человека новой геологической силой, придавшей иной характер и темп эволюции биосферы. Лик нашей планеты за одно только наше столетие удивительно изменился. Человек действует сознательно или бессознательно, но чаще не заботясь о последствиях, — меняется физически и химически воздух, вода, почва, верхняя часть земной коры, рельеф земли и многое-многое другое. Более того, прибегая к «чудесам» изобретенной им «генной инженерии», он выводит, не останавливаясь, все новые и новые породы животных и разновидности растений. Человек становится главной эволюционной силой в биосфере. И куда пойдет эволюция — во вред или на пользу всему живому на Земле — это зависит теперь только от разума и воли человечества.

По новейшим данным, масса Земли составляет 6 ^. 10²¹ т, объем — 1,083 ^.10¹² км³, площадь поверхности — 510,2 млн км². Размеры, а следовательно, и все природные ресурсы нашей планеты ограничены.

Наша планета имеет неоднородное строение и состоит из концентрических оболочек (геосфер) — внутренних и внешних. К внутренним относятся ядро, мантия, а к внешним — литосфера (земная кора), гидросфера, атмосфера и сложная оболочка Земли — биосфера.

Литосфера (греч. «литос» — камень) — каменная оболочка Земли, включающая земную кору мощностью (толщиной) от 6 (под океанами) до 80 км (горные системы). Земная кора сложена горными породами. Доля различных горных пород в земной коре неодинакова — более 70% приходится на базальты, граниты и другие магматические породы, около 17% — на преобразованные давлением и высокой температурой породы и лишь чуть больше 12% — на осадочные.

Земная кора — важнейший ресурс для человечества. Она содержит горючие полезные ископаемые (уголь, нефть, горючие сланцы), рудные (железо, алюминий, медь, олово и др.) и нерудные (фосфориты, апатиты и др.) полезные ископаемые, естественные строительные материалы (известняки, пески, гравий и др.).

Гидросфера (греч. «гидор» — вода) — водная оболочка Земли. Ее подразделяют на поверхностную и подземную.

Поверхностная гидросфера — водная оболочка поверхностной части Земли. В ее состав входят воды океанов, морей, озер, рек, водохранилищ, болот, ледников, снежных покровов и др. Все эти воды постоянно или временно располагаются на земной поверхности и носят название поверхностных. Поверхностная гидросфера не образует сплошного слоя и прерывисто покрывает земную поверхность на 70,8%.

Подземная гидросфера — включает воды, находящиеся в верхней части земной коры. Их называют подземными. Сверху подземная гидросфера ограничена поверхностью земли, нижнюю ее границу проследить невозможно, так как гидросфера очень глубоко проникает в толщу земной коры. По отношению к объему земного шара общий объем гидросферы не превышает 0,13%. Основную часть гидросферы (96,53%) составляет Мировой океан (табл.). На долю подземных вод приходится 23,4 млн км³, или 1,69% от общего объема гидросферы, остальное — воды рек, озер и ледников.

Таблица. Распределение вод на Земле

	Площадь	Объем воды,	Доля от общих
Части гидросферы	распространения,	тыс. км^3	мировых запасов
	тыс. км^2		воды, %
Мировой океан	361 300	1 138500	96,53
Ледники и снега			1,74
(полярные и горные области)
Подземные воды	134 800		1,69
Подземные льды в зоне
вечной мерзлоты			0,023
Озера			0,014
Почвенная влага		16,5	0,001
Пары атмосферы		12,9	0,001
Болота		11,4	0,0007
Речные воды	148 800	2,1	0,0002

Более 98% всех водных ресурсов Земли составляют соленые воды океанов, морей и др. Общий объем пресных вод на Земле равен 28,25 млн км³, или около 2% общего объема гидросферы. Основная часть пресных вод сосредоточена в ледниках, воды которых пока используются очень мало. На долю остальной части пресных вод, пригодных для водоснабжения, приходится 4,2 млн км³ воды, или всего лишь 0,3% объема гидросферы.

Гидросфера играет огромную роль в формировании природной среды нашей планеты. Весьма активно она влияет и на атмосферные процессы (нагревание и охлаждение воздушных масс, насыщение их влагой, и т. д.).

Атмосфера (греч. «атмос» — пар) — газовая оболочка Земли, состоящая из смеси различных газов, водяных паров и пыли. Общая масса атмосферы — 5,15 ^. 10¹⁵ т. На высоте от 10 до 50 км, с максимумом концентрации на высоте 20—25 км, расположен слой озона, защищающий Землю от чрезмерного ультрафиолетового облучения, гибельного для организмов.

Атмосфера физически, химически и механически воздействует на литосферу, регулируя распределение тепла и влаги.

Погода и климат на Земле зависят от распределения тепла, давления и содержания водяного пара в атмосфере. Водяной пар поглощает солнечную радиацию, увеличивает плотность воздуха и является источником всех осадков. Атмосфера поддерживает различные формы жизни на Земле.

В формировании природной среды Земли велика роль тропосферы (нижний слой атмосферы до высоты 8—10 км в полярных, 10—12 км в умеренных и 16—18 км в тропических широтах) и в меньшей степени стратосферы, области холодного разреженного сухого воздуха толщиной примерно 20 км. Сквозь стратосферу непрерывно падает метеоритная пыль, в нее выбрасывается вулканическая пыль, а в прошлом и продукты ядерных взрывов в атмосфере.

Дата добавления: 2014-01-20