Факторы разрушения озона

Нарастание концентрации хлорфторуглеродов (фреонов), диоксидов азота, метана и других углеводородов, поступающих в дополнение к естественным составляющим атмосферы из техногенных источников, при сжигании углеводородного сырья на транспорте способно уменьшить концентрацию озона.

Главную опасность для атмосферного озона составляет группа химических веществ, объединенных термином «хлорфторуглероды» (ХФУ), называемых также фреонами, которые впервые были получены в 1928 г. В течение полувека эти вещества считались чудо-веще­ст­ва­ми. Они нетоксичны, инертны, чрезвычайно стабильны, не горят, не растворяются в воде, удобны в производстве и хранении. И поэтому сфера применения ХФУ динамично расширялась. В массовых масштабах их начали использовать в качестве хладагентов при изготовлении холодильников. Затем они стали применяться в системах кондиционирования воздуха, а с началом всемирного аэрозольного бума получили самое широкое распространение. Фреоны оказались очень эффективны при промывке деталей в электронной промышленности, а также нашли широкое применение в производстве пенополиуретанов. Пик их мирового производства пришелся на конец 80-х гг. и составил около 1,2–1,4 млн. т в год, из которых на долю США приходилось около 35 %.

Предполагают, что попадая в верхние слои атмосферы, эти инертные у поверхности Земли вещества становятся активными. Под воздействием ультрафиолетового излучения химические связи в их молекулах нарушаются. В результате выделяется хлор, который при столкновении с молекулой озона превращает его в кислород. Хлор же, соединившись временно с кислородом, опять оказывается свободным и способным к новым химическим реакциям. Его активности и агрессивности хватает на то, чтобы разрушить десятки тысяч молекул озона.

Суммарное производство фреонов, используемых при производстве пенопластов, в холодильной, парфюмерной промышленности, бытовых устройствах (аэрозольные баллончики) в 1988 г. достигло 1 млн. т.
Эти высокоинертные вещества абсолютно безвредны в приземных слоях атмосферы. При медленной диффузии в стратосферу они достигают области распространения фотонов высоких энергий и при фотохимических превращениях способны разлагаться с выделением атомарного хлора. Один атом Сl способен разрушить десятки и сотни молекул O₃. Хлор интенсивно реагирует с озоном, действуя как катализатор:

О₃ + Сl = Сl + О₂.

СlO + O = Сl + O₂.

O₃ + О = 2O₂.

Аналогично действует и оксид азота NО, техногенное поступление которого в атмосферу связано с реакциями горения углеводородного топлива. Главными поставщиками NО в атмосферу являются двигатели ракет, самолетов и автомобилей. С учетом сложившегося в настоящее время газового состава стратосферы в порядке оценки можно говорить, что около 70 % озона разрушается по азотному циклу, 17 – по кислородному, 10 – по водородному, около 2 % по хлорному и около 1–2 % поступает в тропосферу. Вклад транспорта в разрушение озоносферы чрезвычайно велик в связи с выбросом в атмосферу оксидов азота.

Активную роль в образовании и разрушении озона играют тяжелые металлы (медь, железо, марганец). Поэтому общий баланс озона в стратосфере регулируется сложным комплексом процессов, в которых значительными являются около 100 химических и фотохимических реакций.

В этом балансе азот, хлор, кислород, водород и другие компоненты участвуют как бы в виде катализаторов, не меняя своего «содержания», поэтому процессы, приводящие к их накоплению в стратосфере или удалению из нее, существенно сказываются на содержании озона.
В связи с этим попадание в верхние слои атмосферы даже относительно небольших количеств таких веществ может устойчиво и долгосрочно влиять на установившийся баланс, связанный с образованием и разрушением озона.

Метан CH₄, как и оксид азота, относится к естественным компонентам атмосферы, также способен реагировать с озоном. Его техногенное поступление в результате принудительной вентиляции шахт, потерь при добыче нефти и газа, заболачивании низменных ландшафтов принимает все большие масштабы. Поэтому зафиксированное уменьшение концентрации озона не без оснований связывают с антропогенной деятельностью – техногенезом.

Основные запасы планетарного метана сосредоточены в форме твердых газогидратов, локализованных в прибрежных зонах полярных акваторий. Переход твердых гидратов в газ минует жидкую фазу. Характерно, что с 1972 до 1985 г. с помощью спутникового слежения (Nimbus-7) выявлено более 200 высоконапорных метановых струй на высотах до 22 км,
т. е. в озоноэффективных областях атмосферы. Метан способствует не только разрушению озона, но и повышению температуры приземного воздуха («парниковый эффект»). В свою очередь, такое потепление может вызвать «взрыв» газогидратных панцирей и рост концентрации метана в атмосфере.

Огромное влияние на снижение содержания озона оказывают запуски ракет и кораблей многоразового использования типа «Шаттл» и «Энергия». Один старт «Шаттла» – это потеря 10 млн. т озона. Метеорологи и геофизики давно обращают внимание космических корпораций на этот факт. Но слишком заманчиво освоение космоса с его невиданными типами энергии, а причины снижения концентрации озона в озоносфере до сих пор до конца не обоснованы. Кроме того, предполагается, что первый массивный удар по озоновому слою был нанесен высотными ядерными взрывами 1958–1962 гг. Хотя и по другим политическим причинам, но в настоящее время от продолжения таких ядерных взрывов благоразумно воздержались. По оценкам специалистов, после «залечивания» озоновой дыры в результате гелиогенерации озона в течение
22-летнего солнечного цикла, в период спокойного Солнца все равно будет наблюдаться снижение концентрации озона. Более 60 % техногенного вклада в это снижение дают запуски ракет, и это может привести к расширению озонной дыры до средних широт.

Есть еще одна гипотеза причин увеличения озоновой дыры. Она могла образоваться за счет «срыва» кометой Галлея соответствующего слоя атмосферы на высотах 14–40 км. Образование ее началось за несколько лет до прилета кометы в центральные районы Солнечной системы. И вот уже несколько лет как комета уходит снова в космические просторы, а вслед за этим и исчезает «озоновая дыра».

4.Чем вызваны кислотные дожди

КИСЛОТНЫЕ ДОЖДИ (кислые дожди), характеризуютсяповышенным содержанием кислот (в основном серной); водородный показатель pH<4,5. Образуются привзаимодействии атмосферной влаги с транспортно-промышленными выбросами (главным образом серыдиоксид, а также азота оксиды и др.). Вредно действуют на здоровье людей, растительный и животный мир,сооружения и конструкции; закисляют почвы и водоемы. Распространены в промышленных районах США,стран Западной Европы, России и др. Кислотные загрязнения могут содержаться в других атмосферныхосадках (снег, град и т.п.).

5.Каковы основные источники поступления в атмосферу оксидов серы и азота

Главные кислотообразующие выбросы в атмосферу - диоксид серы 8О2 (сернистый ангидрид, или сернистый газ) и оксиды азота N0^ (монооксид, или оксид азота N0, диоксид азота НО2 и др.). Природными источниками поступления диоксида серы в атмосферу являются главным образом вулканы и лесные пожары. Естественная фоновая концентрация 8О2 в атмосфере достаточно стабильна, включена в биохимический круговорот и для экологически благополучных территорий России равна 0,39 мкг/м3 (Арктика) - 1,28 мкг/м3 (средние широты). Эти концентрации значительно ниже принятого в мировой практике предельно допустимого значения (ПДК) по 8О2, равного 15 мкг/м3. Общее количество диоксида серы антропогенного происхождения в атмосфере сейчас значительно превышает его естественное поступление и составляет в год около 100 млн т (для сравнения: природные выбросы 8О2 в год равны примерно 20 млн т). Из них на долю США приходится 20%, на долю России - менее 10%. Диоксид серы образуется при сжигании богатого серой горючего, такого, как уголь и мазут (содержание серы в них колеблется от 0,5 до 5-6%), на электростанциях (~40% антропогенного поступления в атмосферу), в металлургических производствах, при переработке содержащих серу руд, при различных химических технологических процессах и работе ряда предприятий машиностроительной отрасли промышленности (-50%). При сжигании каждого миллиона тонн угля выделяется около 25 тыс. т серы в виде главным образом ее диоксида (до триоксида окисляется менее 3% серы), в 4-5 раз меньше окисленной серы дает сжигание мазута. Анализ техногенных источников выбросов сернистого газа в атмосферу показывает, что выбросы производят высокоразвитые промышленные страны, и это становится проблемой в первую очередь для них и их ближайших соседей. Данные мониторинга воздушной атмосферы свидетельствуют об увеличении в последние годы доли выбросов азотных соединений и закисление атмосферных осадков. Содержанию оксидов азота в атмосфере стали уделять внимание лишь после обнаружения озоновых дыр в связи с открытием азотного цикла разрушения озона. Природные поступления в атмосферу оксидов азота связаны главным образом с электрическими разрядами, при которых образуется N0, впоследствии - NО2. Значительная часть оксидов азота природного происхождения перерабатывается в почве микроорганизмами, т. е. включена в биохимический круговорот. Для экологически благополучных районов России естественная фоновая концентрация оксидов азота равна 0,08 мкг/м3 (Арктика) - 1,23 мкг/м3 (средние широты), что существенно ниже ПДК, равной 40 мкг/м3. Оксиды азота техногенного происхождения образуются при сгорании топлива, особенно если температура превышает 1000 "С. При высоких температурах часть молекулярного азота окисляется до оксида азота N0, который в воздухе немедленно вступает в реакцию с кислородом, образуя диоксид N02 и тетраоксид диазота N2О4. Первоначально образующийся оксид азота составляет лишь 10% выбросов всех оксидов азота в атмосферу, однако в воздухе значительная часть оксида азота превращается в диоксид - гораздо более опасное соединение. При высокотемпературном сгорании органического природного топлива происходят реакции двух типов: между кислородом воздуха и азотом, содержащимся в топливе (в угле содержание азота составляет в среднем около 1%, в нефти и газе - 0,2-0,3%), и между кислородом воздуха и азотом, также содержащимся в воздухе. Техногенные мировые выбросы оксидов азота в атмосферу составляют в год около 70 млн т (природные выбросы оксидов азота, по некоторым оценкам, равны в год 700 млн т), примерно 30% из них приходится на долю США, 25% - на долю стран Западной Европы и лишь несколько процентов - на долю России. Суммарные антропогенные выбросы оксидов азота в атмосферу больше. Дополнительный источник таких выбросов - сельское хозяйство, интенсивно использующее химические удобрения, в первую очередь содержащие соединения азота. Вклад этой отрасли мирового хозяйства в загрязнение атмосферы оксидами азота учесть трудно. По некоторым данным, поступление оксидов азота в атмосферу с сельскохозяйственных полей сопоставимо с промышленными выбросами. В России (см. рис. 2) около 25% выбросов оксидов азота дает сжигание топлива на предприятиях электро- и теплоэнергетики, столько же -на предприятиях металлургической, машиностроительной и не связанной с процессами горения топлива химической отраслей промышленности (например, получение азотной кислоты и взрывчатых веществ). Главный источник техногенных оксидов азота в атмосфере - автотранспорт и другие виды моторного транспорта (около 40%). Следует отметить наметившуюся в последние годы в России тенденцию снижения выбросов загрязняющих веществ, в том числе оксидов серы и азота, промышленными предприятиями. К сожалению, это определяется не природоохранными мероприятиями и не усилением экологического контроля. Основная причина - спад производства. Расхождение между относительными показателями спада производства и сокращения выбросов свидетельствует о росте отрицательного техногенного воздействия на окружающую среду в расчете на единицу произведенного продукта. Как показывает анализ, спад производства был неравномерен в различных отраслях хозяйства: наименьшим он оказался в самых экологически напряженных секторах (энергетика, металлургия и др.), а наибольшим - в отраслях, оказывающих относительно слабое воздействие на окружающую среду (машиностроение, оборонная отрасль промышленности и др.), при этом выбросы автотранспорта возросли, а в крупных городах - очень значительно. Отметим еще два - экономических - аспекта рассматриваемой проблемы, оказывающих большое влияние на общую экологическую ситуацию в России, в том числе и связанную с кислотными осадками. К началу спада производства в России (1991) на предприятиях срок эксплуатации наличного промышленного оборудования был запредельным. Изношенное оборудование требует больше ресурсов для эксплуатации, производит больше отходов, отличается повышенной аварийностью. Помимо отсутствия средств на капитальные затраты предприятия не имеют средств и на текущие затраты. В этих критических условиях предприятие экономит на всем и в первую очередь на охране окружающей среды, строительстве или модернизации очистных сооружений и других мероприятиях. В этих условиях даже сократившийся поток загрязнений превосходит ассимиляционный потенциал соответствующих экосистем, т. е. является для них заведомо чрезмерным.

6. В чем сущность процесса антропогенного эвтрофирования водоемов

Эвтрофикация (др.-греч. εὐτροφία — хорошее питание) — насыщение водоёмов биогенными элементами, сопровождающееся ростом биологической продуктивности водных бассейнов. Эвтрофикация может быть результатом как естественного старения водоёма, так иантропогенных воздействий. Основные химические элементы, способствующие эвтрофикации — фосфор и азот. В некоторых случаях используется термин "гипертрофизация".

Эвтрофным водоёмам присущи богатая литоральная и сублиторальная растительность, обильный планктон. Искусственно несбалансированная эвтрофикация может приводить к бурному развитию водорослей (Цветение воды), дефициту кислорода, заморам рыб и животных. Этот процесс можно объяснить малым проникновением солнечных лучей вглубь водоёма и, как следствие, отсутствиемфотосинтеза у надонных растений, а значит и кислорода.

Основные антропогенные источники фосфора и азота: необработанные сточные воды (в особенности из животноводческих комплексов) и смыв удобрений с полей. Во многих странах запрещено использование ортофосфата натрия в стиральных порошках для уменьшения эвтрофикации водоёмов.

7. Каковы последствия антропогенного эвтрофирования

Эвтрофирование водоемов является естественным процессом и обычно протекает очень медленно, однако в последние десятилетия в связи с возросшим антропогенным воздействием скорость его развития резко увеличилась. Антропогенная, или ускоренная, эвтрофикация связана с поступлением в водоемы значительного количества биогенных веществ — азота, фосфора и других элементов в виде удобрений, моющих веществ и т. д. Антропогенное эвтрофирование приводит к перестройке структуры трофических связей гидробионтов, резкому возрастанию биомассы фитопланктона из-за массового размножения сине-зеленых водорослей, вызывающих «цветение» воды, ухудшающих ее качество и условия жизни гидробионтов вследствие выделения опасных токсинов.

8.Каковы источники поступления в воду биогенных веществ

Фосфаты представляют собой неорганические растворенные соединения, являющиеся солями фосфорной кислоты (Н₃РО₄). По оценке В.В. Мокиевской, они составляют около 90% фосфора, содержащегося в океанических водах. На долю органического фосфора приходится 5 - 7%, а на его соединения во взвешенном состоянии - 3 - 5%.

При подготовке данной главы из всех биогенных веществ Мирового океана оказалось возможным получить представления о закономерностях, свойственных только полю фосфатов.

Развитие жизни в каждом конкретном месте Мирового океана обусловлено в конечном счете особенностями формирования первичной продукции, которая определяется зависимостью между интенсивностью поглощения фитопланктоном питательных солей и скоростью их поступления в зону фотосинтеза. Практически решающее значение имеет баланс фосфатов и органически связанного азота, поглощаемых одноклеточными водорослями наиболее активно. Количество кислорода в поверхностных водах близко к насыщению, а солнечной энергии повсеместно достаточно, исключая полярные районы, где, кроме того, менее благоприятны и термические условия.

Восполнение биогенных продуктов, потребляемых водорослями, происходит за счет поступления их с речным стоком, атмосферными осадками, переносом пылеватых частиц ветром с суши, разрушением берегов и выносом веществ из глубин океана в местах подъема вод. Каков удельный вес каждого из этих источников поступления биогенов в Мировой океан, можно судить по данным приведенной ниже таблицы.

Количество биогенных веществ, поступающих в Мировой океан за год (по М. В. Федосову)
С суши в Мировой океан, по оценке М.В. Федосова, ежегодно поступает 385∙10⁶ тонн фосфатов. Общее же их количество, аккумулированное в океанических водах, определено в 67∙10⁹ тонн. Весьма близкая к этому цифра - 84∙10⁹ тонн - получена В.В. Мокиевской на основе средневзвешенных концентраций фосфатов, определенных для Атлантического океана в 1,8, Индийского - 2,2, Тихого - 2,5 мкг-атом/л; для Мирового океана в целом она составила 2,33 мкг-атом/л.

К расходным составляющим баланса биогенных веществ, помимо поглощения их водорослями, относится перенос на сушу с водяными парами.

Вместе с другими солями, растворенными в океанических водах, фосфаты попадают в атмосферу в результате испарения и разбрызгивания воды во время волнения. К тому, что говорилось по этому поводу в главе, посвященной солености воды, следует указать на специальные исследования, проведенные по фосфатам Е.Р. Бэйлором, В.X. Сатклифом и Д.С. Хиршфельдом. Они установили, что в то время, когда пузырьки воздуха, образующиеся при волнении, поднимаясь к поверхности, лопаются, верхняя их полусфера выбрасывает в воздух фосфаты в виде аэрозолей; нижняя же полусфера, растекаясь по поверхности, образует мономолекулярный слой повышенной концентрации фосфатов. В лабораторных условиях таким путем выделялось до 90% фосфора. Высокие концентрации фосфатов действительно отмечаются после свежего ветра.

Благодаря интенсивному потреблению биогенных веществ фитопланктоном содержание их в поверхностном, наиболее продуктивном фотосинтетическом слое, толщиной 100 - 200 м, оказывается не всегда достаточным для активного развития жизни. По мере удаления от поверхности океана количество питательных солей быстро нарастает. Сразу же за пределами поверхностной структурной зоны (на глубине 200 - 300 м) оно увеличивается в 2 - 4 раза, а в нижней части промежуточной структурной зоны (ниже 800 - 1000 м) концентрация их достигает максимальных значений, мало изменяясь затем во всей остальной толще вод океана.

Восполнение биогенных веществ в поверхностном слое за счет выноса их из нижележащих слоев происходит в местах преобладающего подъема вод. Такие условия имеют место в областях расположения макроциркуляционных циклонических систем, а также квазистационарных дивергенций течений. В антициклонических круговоротах и конвергенциях течений возникает дефицит питательных солей, что резко ограничивает возможность развития первичной продукции. Недостаток растительной пищи ведет к ограничению размножения планктона, рыб и других животных.

9.Каковы основные причины деградации почв

1. Неправильное применение удобрений и пестицидов. Внесение высоких доз азотных удобрений иногда отрицательно влияет на почвенную структуру и снижает противоэрозионную устойчивость почв. Применение повышенных доз пестицидов, содержащих соли тяжелых металлов, также может снижать плодородие почв, т. к. при обработке в ней уничтожаются полезные микроорганизмы и черви, а также изменяется кислотность.

2. Мелиоративные работы. При неправильной технологии таких работ снижается гумусовый слой почвы, плодородный слой почвы засыпается почвообразующей породой.

3. Лесозаготовки. Повреждаются и уничтожаются подлесок, травянистый покров, подстилка и верхний гумусовый слой почвы. Особенно большой вред почве наносят тракторные волоки и транспортировка леса по временным дорогам.

4. Раскорчевка леса. Вместе с корнями деревьев из почвы выносится большое количество гумуса.

5. Лесные пожары. Вместе с лесом уничтожается лесная подстилка и трава. Действие огня распространяется на гумусовый слой почвы, происходит деградация лесных почв.

6. Пожары на осушенных торфяных почвах. На пастбищах и пахотных массивах выгорает полностью органический слой почвы.

Деградация почвы включает процессы эрозии, сопровождается изменениями почвенной флоры и фауны, снижением плодородия, неблагоприятными изменениями в напочвенном растительном покрове, формированием бесплодных, пустынных земель. Различают также, ветровую (дефляционную), ледниковую, оползневую, речную, биологическую и другие виды эрозии.

К эрозии почв нередко относят и всевозможные явления, снижающие плодородие почв и разрушающие почвенный покров, вызываемые антропогенными факторами:

Химическая эрозия (накопление в почве ядохимикатов);

Механическая эрозия (перемещение почвы со склонов различными машинами и агрегатами);

Засоление почв при орошении (накопление растворимых солей в почве);

Переувлажнение и заболачивание (совокупность явлений, возникающих в почве при постоянном увлажнении).

Опустынивание – это уменьшение или уничтожение биологического потенциала земельного пространства, сопровождающееся сокращением его водных ресурсов, исчезновением сплошного растительного покрова, обеднением и перестройкой фауны и возникновением других условий, близких или аналогичных условиям пустыни.

Общими факторами, приводящими к опустыниванию земли, являются:

Деградация растительного покрова и сопутствующая ей эрозия почв в результате чрезмерного выпаса скота;

Усиление эрозии и дефляции засушливых земель при их интенсивном и нерациональном использовании;

Отсутствие рациональных соотношений между земледелием и животноводством;

Уничтожение растительного покрова при заготовке топлива;

Разрушение растительного и почвенного покрова при дорожном и индустриальном строительстве, геолого-разведочных работах, разработке полезных ископаемых и т. п.;

Вторичное засоление, подщелачивание и подтопление орошаемых земель

10.Какова роль лесов на планете

Средообразующая, или экологическая роль леса. Лес во многом определяет качество окружающей среды и то, насколько эта окружающая среда подходит для удобного и здорового существования человека. Общеизвестна роль леса как "зеленых легких планеты": лес поглощает и связывает из атмосферы углекислый газ, накапливает углерод в составе органического вещества живых растений, их остатков и почвы, а обратно выделяет кислород, необходимый всем живым существам для дыхания. Одновременно с этим лес весьма эффективно очищает воздух от пыли и других вредных примесей - они легко оседают на поверхности листьев и хвои и смываются на землю дождями. Лес, испаряя большие количества воды, поддерживает повышенную влажность воздуха, защищая от иссушения не только себя, но и прилегающие территории.

Не менее известна роль леса в сохранении чистой пресной воды - главного природного ресурса XIX века, нехватка которого все больше ощущается в самых разных частях Земли, в том числе во многих регионах России. Лес играет большую роль в глобальном распределении осадков: испаряемая деревьями влага возвращается в атмосферный круговорот, чем создаются условия для ее более дальнего переноса от океанов и морей вглубь континентов. Современные исследования показывают, что если бы не было лесов, то удаленные от морей и океанов территории были бы значительно более засушливыми или даже пустынными, мало пригодными для жизни людей и для развития сельского хозяйства. Лес эффективно задерживает таяние снега весной и сток воды после сильных ливней, тем самым "сглаживая" подъем воды в реках, предотвращая разрушительные наводнения и пересыхание рек и ручьев в засуху. Лес надежно защищает берега рек и ручьев от эрозии, тем самым предотвращая загрязнение водоемов частицами почвы.

Леса, лесополосы и даже отдельные деревья имеют большое значение для защиты и сохранения плодородия прилегающих сельскохозяйственных земель, сохраняя землю и сельскохозяйственные культуры от вредного воздействия сильных ветров, поздних заморозков, иссушения, эрозии и других неблагоприятных воздействий. Особенно заметно благотворное влияние леса на сельскохозяйственные земли в зонах рискованного земледелия - там, где климат не очень благоприятен для выращивания большинства сельскохозяйственных культур. Леса и лесополосы, при наилучшем их размещении среди сельскохозяйственных земель, способны обеспечивать благоприятные для сельского хозяйства условия на площади, которая многократно (до 10-20 раз) превышает площадь, занятую самим лесом.

С лесами связано существование основной доли биологического разнообразия Земли - разнообразия существующих на нашей планете живых организмов и экосистем. Леса являются главной средой обитания примерно для трех четвертей всех видов растений, животных и грибов, существующих на нашей планете, и большинство этих видов без леса существовать просто не может. Сохранение разнообразия лесов Земли, и в первую очередь - диких лесов, до сих пор живущих по законам дикой природы при минимальном вмешательстве человека, имеет ключевое значение для сохранения всего разнообразия жизни.

По мере развития человеческой цивилизации, увеличения численности населения, требований к качеству окружающей среды, потребностей в чистой воде, воздухе и тому подобных благах, даваемых лесом, средообразующее значение леса в жизни человечества возрастает. А самое главное - на смену простому осознанию этой роли постепенно, хотя и очень медленно, приходит готовность что-либо делать для того, чтобы роль леса в сохранении благоприятной окружающей среды никогда не иссякла.

11.Что называется биосферой? Какова главная функция живого вещества

Биосфера – это оболочка Земли, заселенная живыми организмами. Организмы живут везде, где им позволяют условия: во всей гидросфере, в верхней части литосферы (до горячих недр) и в нижней части атмосферы (до озонового слоя).

Биосфера является открытой системой, т.к. ей постоянно требуется поступление энергии извне (от Солнца). За счет энергии Солнца в биосфере происходит поток энергии и круговорот веществ.

Живое вещество – это совокупность всех живых организмов на Земле. В живом веществе химические реакции идут очень быстро, поэтому живое вещество очень активно участвует в биогеохимическом круговороте (круговороте веществ и превращении энергии в биосфере).

Биогенное вещество – вещество, создаваемое живыми организмами (уголь, нефть и т.п.). Биокосное вещество – вещество, в создании которого принимают участие живие организмы (почва, ил и т.п.).

Функции живого вещества (материал довольно мутный, многие тесты приходится решать методом исключения):

· Концентрационная – накопление (аккумулирование) в живых организмах каких-либо элементов. Например, концентрация железа в позвоночных животных гораздо выше, чем в неживой природе; хвощи накапливают кремний.

· Газовая – связана с поглощением и выделением газов. Например, при дыхании поглощается кислород и выделяется углекислый газ, клубеньковые бактерии поглощают азот.

· Окислительно-восстановительная – это работа хемосинтезаторов, часто приводит к отложению в земной коре залежей полезных ископаемых, например, серы, бокситов, железной руды.

· Биохимическая – реакции обмена веществ, происходящие внутри организма.

12.Взаимодействием, каких составляющих обусловлен существования и функционирования биосферы

Биосфера (от греч. «биос» — жизнь, «сфера» — шар) — это область существования и распространения живого вещества. Академик В. И. Вернадский сформулировал понятие биосферы Земли следующим образом: «Биосфера есть организованная, определенная оболочка земной коры, сопряженная с жизнью, и ее пределы обусловлены прежде всего полем существования жизни». Он считал, что биосфера геологически вечна. Следовательно, биосфера — это самая крупная экологическая система, система высшего ранга. В современном состоянии она охватывает нижнюю часть атмосферы до высоты озонового слоя, всю гидросферу, педосферу и верхнюю часть литосферы до глубины распространения живых микроорганизмов. Если верхняя граница биосферы достаточно четкая, то нижняя расплывчата и- изменяется не только отМирового океана к континентам, но и в пределах самих континентов. В их пределах и под дном океанов она ограничивается температурами существования микроорганизмов.

Биосфера Земли функционирует благодаря взаимодействию с атмосферой, гидросферой и литосферой, получая от них энергию, биофильтруя вещества и химические соединения, необходимые для жизнедеятельности.

13.Назовите и охарактеризуйте структурные элементы биосферы. Понятие экосистемы. Чем является элементарная экологическая система?

Структура биосферы. В структуре биосферы В.И. Вернадский выделял три разных, но геологически значимых и взаимосвязанных компонента: живое вещество, косное вещество и биокосное вещество. Живое вещество — совокупность всех живых организмов, т. е. биомасса. Косное вещество — все тела и свойства неживой природы, сформированные без участия живых организмов (химические элементы оболочек Земли, вода, воздух, солнечная энергия). Биокосное вещество — результат совместной деятельности живого и косного вещества (например, почва, каменный уголь, горючие сланцы, битумы, нефть, известняки).
Первоначально В.И. Вернадский выделил 7 геологически взаимосвязанных типов веществ: живое вещество («оно рассеяно в мириадах особей, непрерывно умирающих и рождающихся, обладающих колоссальной действенной энергией — биогеохимической энергией»); биокосное вещество — создаваемое и перерабатываемое живыми существами (горючие ископаемые, известняки, почва и др.); косное вещество (неживая природа); биогенное вещество (скопления живых организмов: леса, поля, планктон, — чьи остатки после гибели организмов, входящих в них, образуют биогенные породы); радиоактивное вещество; рассеянные атомы; космическое вещество (метеориты, космическая пыль). Но в более поздних работах называл преимущественно только три типа веществ биосферы: живое, косное и биокосное, иногда еще выделяя и четвертое — биогенное.

Экосисте́ма, или экологи́ческая систе́ма (от др.-греч. οἶκος — жилище, местопребывание и σύστημα — система) — биологическая система, состоящая из сообщества живых организмов (биоценоз), среды их обитания (биотоп), системы связей, осуществляющей обмен веществом и энергией между ними. Одно из основных понятий экологии.

Пример экосистемы — пруд с обитающими в нём растениями, рыбами, беспозвоночными животными, микроорганизмами, составляющими живой компонент системы, биоценоз. Для пруда как экосистемы характерны донные отложения определенного состава, химический состав (ионный состав, концентрация растворённых газов) и физические параметры (прозрачность воды, тренд годичных изменений температуры), а также определённые показатели биологической продуктивности, трофический статус водоёма и специфические условия данного водоёма. Другой пример экологической системы — лиственный лес в средней полосе России с определённым составом лесной подстилки, характерной для этого типа лесов почвой и устойчивым растительным сообществом, и, как следствие, со строго определёнными показателями микроклимата (температуры, влажности, освещённости) и соответствующим таким условиям среды комплексом животных организмов. Немаловажным аспектом, позволяющим определять типы и границы экосистем, является трофическая структура сообщества и соотношение производителей биомассы, её потребителей и разрушающих биомассу организмов, а также показатели продуктивности и обмена вещества и энергии.

14.Почему сохранение природных экосистем - главное условие сохранения жизни на земле.

Биологическое разнообразие (биоразнообразие) — это разнообразие всего живого на Земле — от генов до экосистем. В его основе лежит видовое разнообразие. Оно включает миллионы видов животных, растений, микроорганизмов, живущих на нашей планете. Однако биоразнообразие охватывает и всю совокупность природных экосистем, которые слагаются этими видами. Таким образом, под биоразнообразием следует понимать разнообразие организмов и их природных сочетаний. На основе биоразнообразия создается структурная и функциональная организация биосферы и составляющих ее экосистем, которая определяет их стабильность и устойчивость к внешним воздействиям.

Существует три основных типа биоразнообразия:

§ генетическое, отражающее внутривидовое разнообразие и обусловленное изменчивостью особей;

§ видовое, отражающее разнообразие живых организмов (растений, животных, грибов и микроорганизмов);

§ разнообразие экосистем, охватывающее различия между типами экосистем, средами обитания и экологическими процессами. Разнообразие экосистем отмечается не только по структурным и функциональным составляющим, но и по масштабу — от биоценоза до биосферы.

Все типы биологического разнообразия взаимосвязаны: генетическое разнообразие обеспечивает разнообразие видов; разнообразие экосистем и ландшафтов создает условия для образования новых видов; повышение видового разнообразия увеличивает общий генетический потенциал живых организмов биосферы. Каждый вид вносит свой вклад в разнообразие, и с этой точки зрения не существует бесполезных или вредных видов.

15.Круговорот вещества в биосфере. Биогенные элементы. Биогеохимические циклы.

Круговорот веществ – это повторяющиеся процессы превращения и перемещения веществ в природе, имеющие более или менее циклический характер.
Биогенные элементы – необходимые для жизни химические элементы.
Биогеохимический цикл – циркуляция химических элементов (веществ) в биосфере.

16.Трансформация энергии в биосфере. Цепи питания. Трофические уровни. Пирамиды Элтона.

Живые организмы постоянно потребляют энергию. Источник энергии - Солнце. Живой мир Земли, ее биосфера, состоят из организмов трех основных типов. Поток энергии в биосфере имеет одно направление: от Солнца через растения (автотрофы) к животным (гетеротрофы), или от производителей к консументів.

Автотрофы (гр. autos + trophe - пища, питание) - это организмы, которые создают органические вещества из неорганических в процессе фотосинтеза, используя солнечную энергию. К автотрофів принадлежат зеленые высшие растения, лишайники, водоросли и бактерии, имеющие фотосинтезирующие пигменты. В экологии автотрофы называют также продуцентами (лат. pro-ducentis - то, что производит). Продуценты - это организмы, которые создают органическое вещество за счет утилизации солнечной энергии, воды, углекислого газа и минеральных солей. К этому типу относятся растения, которых на Земле есть около 350 000 видов. Продуценты образуют сложные соединения, в которых в химических связях сосредоточена энергия экран комфорт, расторжение договора, которая высвобождается при разложении их в процессе пищеварения у животных и других гетеротрофов.

Гетеротрофы (греч, heleros - разное + trophe - питание) - это организмы, которые получают энергию за счет питания автотрофов или другими консументами. К ним относятся растительноядные животные, хищники и паразиты, а также хищные растения и грибы.

В экологии гетеротрофов разделяют на консументів и ре-дуцентів. Консументи - это потребители готовой органической продукции. Редуценты - это организмы, которые разлагают органические вещества, это минерализаторы органіки. их часто называют деструкторами. Поток энергии от уровня продуцентов сопровождается преобразованием энергии и ее большими затратами: от одного уровня к второго биомасса и количество энергии уменьшается примерно в 10 раз. Редуценты потребляют часть питательных веществ, раскладывают мертвые тела растений и животных к простых химических соединений (воды, углекислого газа и минеральных солей), замыкая таким образом круговорот веществ в биосфере.

Все функции живых организмов в биосфере (образование газов, окислительные и восстановительные процессы, концентрация химических элементов и т.п.) не могут выполняться организмами некоего одного вида, а лишь их комплексом. Отсюда следует чрезвычайно важное положение, разработанное Вернадским: биосфера Земли сформировалась с самого начала как сложная система, с большим количеством видов организмов, каждый из которых выполняет свою роль в общей системе. Без этого биосфера вообще не могла бы существовать, то есть устойчивость ее существования была начата сразу ее сложностью. Итак, биосфера очень неоднородна. Она состоит из большого количества различной величины группировок.

Пищевые цепи разделяют на два типа Один тип пищевой цепи начинается с растений и идет к растительноядным животным и далее к хищникам. Это так называемая цепь выедания (пастбищная цепь питания). Другой тип начинается от растительноядных и животных остатков и идет к мелким животным и микроорганизмам, которые ими питаются. В результате деятельности микроорганизмов образуется полуразложившаяся масса — детрит. Такую цепь называют цепью разложения (детритная цепь питания). На суше пищевые цепи первого типа состоят обычно из 3—5 звеньев.

Трофический уровень — это совокупность организмов, занимающих определенное положение в общей цепи питания. К одному трофическому уровню принадлежат организмы, получающие свою энергию от Солнца через одинаковое число ступеней.

Так, зеленые растения занимают первый трофический уровень (уровень продуцентов), травоядные животные — второй (уровень первичных консу-ментов), первичные хищники, поедающие травоядных, — третий (уровень вторичных консументов), а вторичные хищники — четвертый (уровень третичных консументов). Трофических уровней может быть и больше, когда учитываются паразиты, живущие на консументах предыдущих уровней.

Такая последовательность и соподчиненность связанных в форме трофических уровней групп организмов представляет собой поток вещества и энергии в экосистеме, основу ее организации.

экологические пирамиды, эффект пирамиды, впервые разработанные Ч. Элтоном (1927) графическоймодели (как правило, в виде треугольников), отражающие число особей (пирамида чисел), количество ихбиомассы (пирамида биомасс) или заключенной в них энергии (пирамида энергий) на каждом трофическомуровне и указывающие на закономерное понижение всех показателей с повышением трофического уровня.Иногда выделяют также пищевые пирамиды — соотношения разных трофических уровней.

Весьма приближенно можно считать, что при передаче от одного пищевого (трофического) уровня к следующему количество доступной энергии уменьшается на порядок. На основании этого сформулировано правило Линдемана или правило 10%, которое часто используется при решении задач по экологии. В соответствии с этим правилом можно считать, что количество растительного вещества, служащего основой цепи питания, примерно в 10 раз больше, чем масса растительноядныхживотных, и каждый последующий пищевой уровень также имеет массу, в 10 раз меньшую. Хотя основанный на этом правиле подход широко используется в задачах по экологии, не следует забывать, что эти расчеты являются достаточно условными и, в общем, довольно далеки от действительности

17.Пространственная структура биогеоценоза. Ярусность.

Все присутствующие в биогеоценозе популяции, распределяясь в соответствии со своими потребностями, их жизненными формами и условиями местообитания, создают своеобразное ярусное строение. Различают ярусность в пространстве и ярусность во времени.

Ярусность в пространстве обычно определяется растениями. Животные, входя в тот или иной ярус, взаимодействуя между собой, способствуют быстрому перемещению веществ и энергии, обеспечивают опыление, распространяют семена, избавляют от вредителей.

Степень развития ярусов во многом зависит от условий биотопа и состава, входящих в него видов. В зависимости от того, к какой жизненной форме относятся доминирующие виды и каких размеров достигают их половозрелые особи, ярус может быть верхним, средним или самым нижним.

Любой ярус имеет своеобразные черты местообитания, созданные в значительной мере самими организмами. В каждом ярусе - особый световой режим, ход температур, влажности и сходные черты приспособленности к данным условиям жизни у всех обитателей.

Верхний ярус характеризуется ярким светом в течение круглого года, резкими колебаниями суточных и сезонных температур и влажности, обычно активным ветровым режимом. Поэтому растения этого яруса обычно ветроопыляемы и приспособлены к распространению семян ветром. Все организмы обладают выраженной световой структурой и чертами ксерофильности (способность переносить недостаток влаги). Для животных характерны суточные миграции в пределах крон растений (в самое жаркое время дня они перемещаются внутрь кроны, а по мере снижения жары и яркого солнечного освещения животные вновь мигрируют к периферии кроны).

Нижний ярус характеризуется практически полным отсутствием жарких солнечных лучей, ветра, повышенной влажностью. Растения, живущие здесь, являются в основном травянистыми и имеющими теневую структуру листьев, почти все они требуют достаточного количества влаги (мезофилы или гигрофилы). Светолюбивые растения представлены лишь в виде эфемеров и эфемероидов, которые успевают расцвести и опылиться в короткие сроки (например, весной до развертывания листьев растений верхних ярусов). Растения нижнего яруса обычно насекомо- или самоопыляемы, и приспособлены к распространению семян путем саморазбрасывания или с помощью муравьев и других животных (у многих на плодах есть крючки и зацепки). Среди животных многочисленны растительноядные насекомые и моллюски, питающиеся опадом листьев, ветвей и плодов, а также хищные насекомые (жужелицы), копрофаги (жуки-навозники), мертвоеды и муравьи.

Средний ярус характеризуется более мягким и ровным климатом (незначительная солнечная радиация, отсутствие сильного ветра и резких колебаний суточных и сезонных температур и влажности). Растения этого яруса обычно насекомоопыляемы, имеют мезофильную структуру и теневыносливы. Распространение семян связано с поеданием их различными животными (эндозоохория). Среди животных многочисленны насекомые (разнообразные листоеды, пчелы, осы, шмели, мухи, слепни, бабочки, пауки) птицы (плодоядные, насекомоядные, хищные), крупные животные - питающиеся веточным кормом (лось, косуля, зубр, олень), хищники (волк, рысь, куница).

Пространственная ярусность наиболее четко выражена в смешанных лесах умеренного пояса. Первый и второй ярусы занимают деревьев. Третий ярус - кустарники подлеска, четвертый – травянистые растения, пятый – мхи и лишайники, шестой – грибы и напочвенные микроорганизмы. Еще более сложны дубравы (7-8 ярусов). Самыми сложными структурами являются влажные тропические леса (более 10 ярусов). В травянистых сообществах лугов и степей растения образуют 2-3 яруса.

Ярусность во времени (сезонная изменчивость биогеоценоза) - неодновременное участие видов в жизни биогеоценоза на протяжении года или суток. Она тесно связана с годичным ритмом сезонных изменений почвенно-климатических условий.

Сохраняя относительное постоянство видового состава, биогеоценозы находятся в непрерывном изменении, динамике (суточной, сезонной и разногодичной). У одних видов (или их популяций) период активности перемежается с периодом покоя, другие активны круглый год, а третьи путем миграции из других сообществ регулярно на какой-то срок включаются в жизнь того или иного биогеоценоза (например, перелетные птицы). Поэтому в биогеоценозах можно видеть массовое участие то одного вида, то другого. В связи, с чем меняется облик сообщества и взаимосвязи его организмов. Все это позволяет живым организмам лучше использовать разнообразие условий биотопа и ресурсы биогеоценоза.

У растений ярусность во времени проявляется в виде смены аспектов. Аспект (от лат. aspectus - внешний вид, облик) - это массовое цветение какого-либо вида. У животных - в виде суточной и сезонной активности (спят ночью, а вечером или ночью становятся активными, подвижными, выходят или вылетают на охоту).

Таким образом, ярусность во времени и пространстве позволяют разместиться и функционировать большому числу разнообразных видов, способствуют снижению конкуренции и позволяют полнее использовать условия среды каждого конкретного биогеоценоза (особенно свет, тепло и пищу).

18. Динамика развития биогеоценозов. Сукцессии. Типы сукцессий

Сукцессия (от лат. Successio — преемственность, наследование) — процесс саморазвития сообществ. В основе сукцессии лежит неполный биологический круговорот в данном сообществе. Каждый живой организм в результате жизнедеятельности меняет вокруг себя среду, изымая из нее часть веществ и насыщая ее продуктами метаболизма. При более или менее длительном существовании популяций они меняют свое окружение в неблагоприятную сторону и в результате оказываются вытесненными популяциями других видов, для которых вызванные преобразования среды оказываются экологически выгод
ными. В ходе сукцессии на основе конкурентных взаимодействий видов происходит постепенное формирование более устойчивых комбинаций, соответствующих конкретным абиотическим условиям среды.

Последовательный ряд постепенно и закономерно сменяющих друг друга в сукцессии сообществ называется сукцессионной серией.

Сукцессии в природе имеют различные масштабы. Иерархичность в организации сообществ проявляется и в иерархичности сукцессионных процессов: более крупные преобразования экосистем складываются из более мелких. Даже в стабильных экосистемах с хорошо отрегулированным круговоротом веществ постоянно осуществляется множество локальных сукцессионных смен, поддерживающих сложную внутреннюю структуру сообществ.

Выделяют два основных типа сукцессий: 1) с участием как автотрофного, так и гетеротрофного населения; 2) с участием лишь гетеротрофов.

Сукцессии со сменой растительности могут быть первичными; они начинаются на лишенных жизни местах, и вторичными — восстановительными (рис. 8.7). В настоящее время практически вся доступная жизни поверхность суши занята различными сообществами и поэтому возникновение свободных от живых существ участков имеет локальный характер. Вторичная сукцессия сибирского темно-хвойного леса (пихтово-кедровой тайги) после опустошительного лесного пожара: числа в прямоугольниках — колебания в длительности прохождения фаз вторичной сукцессии (в скобках указан срок их окончания). Биомасса и биологическая продуктивность показаны в произвольном масштабе (кривые отражают качественную и количественную стороны процесса)

Сукцессии любого масштаба и ранга характеризуются целым рядом общих закономерностей, многие из которых чрезвычайно важны для практической деятельности человека. В любой сукцессионной серии темпы происходящих изменений постепенно замедляются и заканчиваются формированием устойчивой стадии - климаксового сообщества. С энергетических позиций сукцессия — такое неустойчивое состояние сообщества, которое характеризуется неравенством двух показателей: обшей продуктивности и энергетических трат всей системы на поддержание обмена веществ.

В ходе сукцессии общая биомасса сообщества сначала возрастает, но затем темпы этого прироста снижаются, и на стадии климакса биомасса системы стабилизируется.

При изъятии избытка чистой продукции из экосистем, находящихся в начале сукцессионных рядов, уменьшается только скорость сукцессии. Вмешательство же в стабильные, климаксовые системы, с большой полнотой расходующие энергию на «свои» нужды, неминуемо вызывает нарушения сложившегося равновесия в этой экосистеме.

Пока нарушения не превышают восстановительной способности экосистемы (соблюдается принцип Ле Шателье), она может вернуться к исходному состоянию. Этим пользуются, например, при рациональном планировании рубок леса. Но если интенсивность воздействия выходит за рамки этих возможностей, то первоначально устойчивое, богатое видами сообщество постепенно деградирует, сменяясь другим.

Вырубка леса на локальных участках с оставлением части территории под коренными типами лесной растительности вызывает ускоренные сукцессии, исходные фитоценозы восстанавливаются за относительно короткий срок — несколько десятилетий.

Таким образом, сообщество не может одновременно сочетать два противоположных свойства: быть высокостабильным и давать большой выход чистой продукции, которую можно было бы изымать без вреда для самого сообщества.