Закон безотходности биосферных технологий:все должно куда-то деваться

В окружающей среде в соответствии с законом сохранения материи нет такого места, куда бы могли исчезать ненужные нам предметы, отходы производства. Отходы производства не исчезают, они накапливаются и вовлекаются в круговороты веществ, которые ранее не существовали.

3.Закон рациональности природных веществ и соединений: природа знает лучше.

«Третий закон экологии утверждает, что искусственное введение органических веществ, не существующих в природе, – пишет Б. Коммонер –,а созданных человеком и, тем не менее, участвующих в живой системе, скорее всего, принесет вред. Один из поразительных факторовв химии живых систем - это то, что для любой органической субстанции, вырабатываемой организмами, существует где-то в природе фермент, способный эту субстанцию разложить. Поэтому, когда человек синтезирует новое органическое вещество, по структуре значительно отличающееся от природных веществ, есть вероятность, что для него не существует разлагающего фермента, и это вещество будет накапливаться».

Закон целостности и рациональности построения биосферы: ничто не дается даром.

Этот закон объединяет в себе предыдущие три закона. Глобальная экосистема представляет собой единое целое, в рамках которой ничто не может быть выиграно или потерянои которая не может являться объектом всеобщего улучшения: все, что было извлечено из нее человеческим трудом, должно быть возмещено.

XX и XXI век – время блестящих достижений науки и техники. Эти достижения вызвали колоссальный рост промышленности, которая развивалась исходя зачастую исходя из принципа неисчерпаемости природных ресурсов и бесконечности земных пространств. Такой подход породил ряд экологических проблем:

1) отравление воздуха, воды и почвы ядовитыми отходами промышленности и сельского хозяйства;

2) острый недостаток чистой пресной воды, а в крупных мегаполисах – и кислорода воздуха;

3) истощение минеральных ресурсов;

4) энергетический кризис;

5) недостаток продуктов питания из-за резкого увеличения населения Земли и эрозии почв;

6) нарушение биологического и климатического равновесия в природе.

 

СТРОЕНИЕ БИОСФЕРЫ

Биосфера, охватывающая весь земной шар, имеет определенные границы. Можно считать, что жизнь существует на всем земном шаре, хотя концентрация и разнообразие живого на различных территориях неодинакова.

Верхняя граница распространения жизни определяется в основном не низкой температурой, а воздействием космического излучения. Жесткое ультрафиолетовое излучение с длиной волны 200…320 нм, поглощаемое озоновым экраном, убивает все живое.

Нижняя граница определяется глубиной распространения микроорганизмов в земной коре (8…10 км).

Биосфера включает в себя гидросферу, литосферу и нижние слои атмосферы (тропосферу). Оболочка планеты на границе тропо, – гидро – и литосферы носит название биогеосферы. Здесь самые благоприятные условия жизни – температура, влажность, содержание кислорода и химических элементов, необходимых для питания организмов, являются оптимальными.

Гидросфера – это водная оболочка Земли, совокупность океанов,морей, озер, рек, водохранилищ, подземных вод, ледников и снежного покрова. Зачастую в гидросферу включают атмосферную воду.

Четкая граница между гидросферой, литосферой и тропосферой отсутствует, т. к. в водах рек, например, всегда есть взвешенные твердые частицы и пузырьки воздуха, в которых обитают микроорганизмы.

Основной объем воды, составляющий 1,37*10⁹ м³, сосредоточен в Мировом океане. Это 94 % всего объема гидросферы. Мировой океан занимает большую часть поверхности Земли – 70,8 %. Оставшиеся 6 % объема гидросферы распределены следующим образом: подземные воды – ~ 4 %, ледяной и снежный покров – ~ 1,6 %, остальное – воды озер, рек, водохранилищ, болот, почв и пары воды в атмосфере.

Вода Мирового океана представляет собой раствор солей со средней концентрацией 35 г/л. В основном это хлористый натрий (77,7 %). Масса остальных солей в одном литре океанической воды незначительна: хлористого магния – 9,7 %, сульфата магния – 5,7 %, сульфата кальция – 3,7 %, хлористого калия – 1,7 %, карбоната кальция – 0,3 %, остальных солей – немногим более 1 %.

Поверхностные воды суши (озер, рек и т. д.) довольно неоднородны по своему химическому составу. Вместе с тем, подавляющая часть этих вод является пресной с концентрацией солей до 0,5 г/л.

В гидросфере выделяют эвфотическую и афотическую зоны. Эвфотическая зона – зона продуцирования, т.к. в нее проникает достаточное для фотосинтеза количество солнечной энергии. За нижнюю границу этой зоны принята глубина (около 200м), в которой освещенность составляет 1% от освещенности на поверхности.

Ниже 200м расположена афотическая зона,в которую солнечный свет практически не проникает.

К литосфере относят внешний твердый слой Земли, включающий земную кору и верхнюю часть земной мантии. Толщина литосферного слоя изменяется от 50…100 км под океанами до 100…200 км на суше. В литосфере с изменением глубины имеет место изменение температуры. При этом выделяют три температурные зоны: переменных температур; постоянных температур и возрастающих температур.

В зоне переменных температур диапазон колебаний во многом зависит от климата местности. Суточные колебания практически не регистрируются уже на глубине 1,5 м, а годовые – на глубинах 20…30 м. Примерно на глубине 30…40 м расположена зона постоянной температуры.В этой зоне температура соответствует среднегодовой температуре данной местности. Ниже расположена зона возрастающих температур с примерным градиентом 3*10^-20С/м.

На суше в граничных зонах проявляется тектоническая, сейсмическая, вулканическая и горообразовательная активность.

Процессы, протекающие в недрах Земли (процессы внутренней динамики), имеют не только геологическое значение, но влияют и на биосферные явления. Тектонические, сейсмические, вулканические и горообразовательные процессы обуславливают первичное состояние рельефа Земли, размеры и форму материков. На формирование литосферы оказывали и оказывают процессы внешней динамики: движение воздушных масс, выпадение осадков, движение вод в гидросфере, колебания температур. Эти процессы привели к образованию мелких форм рельефа (морфоскульптур) – речных долин, оврагов, холмов, гряд, карстовых воронок, масс рыхлых пород, коры выветривания. Морфоскульптуры оказывают существенное влияние на формирование флоры и фауны данных территорий.

Литосферные организмы сосредоточены в основном в почвенном слое, глубина которого составляет несколько метров. Химический состав почв в основном унаследован от материнских горных пород, поэтому различные области суши характеризуются преобладанием одних элементов и недостатком других. Например, в таежно-лесномнечерноземье имеет место недостаток йода, кальция, меди, фосфора, кобальта, цинка, т.к. из-за обильного увлажнения эти элементы легко вымываются в нижние горизонты почвенного слоя и недоступны для растений.

Атмосфера – это воздушная оболочка нашей планеты, газовая среда обитания живого вещества. Атмосферный воздух является источником дыхания практически всех живых организмов, сырьем для процессов горения, разложения и синтеза химических соединений. Сюда выбрасываются газообразные отходы жизнедеятельности организмов и антропогенных устройств и систем (заводов, транспортных средств и т. д.). Атмосфера предохраняет живые организмы от губительного воздействия солнечного коротковолнового ультрафиолетового излучения, других жестких космических излучений. Через атмосферу проходит биогенный и абиогенный круговороты веществ. В атмосфере кроме газов присутствуют частицы пыли и воды, находящиеся во взвешенном состоянии.

Атмосфера состоит из нескольких оболочек: тропосфера, стратосфера, мезосфера, термосфера и экзосфера. Границы, разделяющие сферы, называют паузами.

Слой атмосферы высотой примерно 8…18 км, в котором сосредоточено более 80% всей массы воздухаи протекают в основном все погодные явления, называют тропосферой. Высота тропосферы зависит от интенсивности восходящих и нисходящих потоков воздуха, которая, в свою очередь определяется нагревом земной поверхности. Поэтому на экваторе тропосфера простирается до высоты 16…18 км, в умеренных широтах – до10…12 км, а на полюсах – до 8 км. На уровне моря чистый и сухой воздух представляет собой механическую смесь следующих газов: азот – 78,08 % объема, кислород – 20,95 %, аргон – 0,93 %, углекислый газ 0,037 %.

Важнейшим компонентом атмосферы является озон – трехатомный кислород О₃. Он присутствует в атмосфере от поверхности до высоты 70 км. В тропосфере он образуется в результате разрядов атмосферного электричества, окисления органических веществ. Озон является очень ядовитым газом, его предельно-допустимая концентрация в воздухе должна составлять всего 0,00001 %.

Стратосфера расположенанад тропосферой до высоты 50…55 км. В стратосфере озон образуется в основном в результате воздействия ультрафиолетового излучения Солнца на молекулы кислорода. Вначале некоторая часть молекул кислорода О₂распадается на атомы, а затем к двухатомной молекуле кислорода в результате фотохимической реакции присоединяется еще один атом и получается молекула трехатомного кислорода О₃, называемого озоном. Всего в атмосфере находится примерно 3 млрд.т озона, причем основное количество озона находится в стратосфере. Если гипотетически создать «чистую» озоновую оболочку, то получится слой толщиной всего 3 мм. Максимальная концентрация озона наблюдается на высоте 20…25 км. Его содержание в атмосфере непостоянно, осенью и зимой происходит уменьшение, а весной – увеличение. Колебания количества озона происходят под влиянием как естественных, так и антропогенных причин.

В стратосфере благодаря наличию озона, который интенсивно поглощает ультрафиолетовую радиацию с длиной волны менее 400 нм, температура повышается. Если в верхних слоях тропосферы температура понижается до -60 ⁰С, то в стратосфере она достигает0 ⁰С над экватором и 10 ⁰С – над полюсами. Всего озоновый слой поглощает до 13 % солнечной энергии, поступающей к Земле.

Выше стратосферы располагается мезосфера, верхняя граница которой находится на высоте примерно 80 км. Она характеризуется понижением температуры с 0 ⁰С на нижней границе, до -90 ⁰С – на верхней. В мезосфере наблюдаются состоящие из кристалликов льда серебристые облака.

Термосфера простирается до высоты 800 км. В ней под воздействием солнечного коротковолнового и космического излучений атмосферные газы находятся в ионизированном состоянии. С ионизацией связано свечение газов в виде полярных сияний. Для ионосферы характерно существенное повышение температуры до 1000 ⁰С.

Экзосфера – наиболее удаленная от поверхности Земли оболочка атмосферы. Она простирается по высоте от 800 км до 2000…3000 км. Ее газовый состав – это в основном атомы водорода и гелия, которые образуют вокруг Земли так называемую корону, простирающуюся до высоты 20 тыс. км. Из короны происходит утечка данных атомов в космическое пространство. На верхней границе экзосферы происходит постепенный переход в межпланетное пространство. В ней температура газов достигает 2000 ⁰С.

Без средств защиты подавляющее большинство живых организмов может существовать только в пределах тропосферы. «Ограничителем» является жесткое ультрафиолетовое излучение, губительное для всего живого.

Важнейшим свойством гидросферы, литосферы и атмосферы является аккумуляция тепла. Практически единственным источником тепла для поверхности Земли является лучистая энергия Солнца. Лучистая энергия, поступающая от звезд и луны, в 30*10⁶ раз меньше, чем солнечная радиация. Поток тепла из глубин Земли к поверхности в 5000 раз меньше тепла, получаемого от Солнца. Плотность потока солнечной энергии, поступающей к верхней границе атмосферы в виде электромагнитных колебаний, примерно равна 1,367*10³ Дж/м²*с. Эта величина носит название солнечной постоянной. Годовые колебания величины солнечной постоянной, зависящие от изменения расстояния от Земли до Солнца, невелики и составляют ±3,3 %.

Отношение уходящей в космос отраженной и рассеянной солнечной радиации к общему количеству солнечной радиации, поступающей в верхней границе атмосферы, называется альбедо Земли. В целом альбедо Земли оценивается в 30%, т. е. 30 % прямого солнечного излучения уходит обратно в космическое пространство.

В целом земной поверхностидостигает чуть более 38% солнечной энергии (34 % идет на нагрев почвы и воды, а также превращается в химическую энергию в процессе фотосинтеза, 4 % отражается и уходит в мировое пространство).

В результате рассмотренных процессов преобразования солнечной радиации в настоящее времясреднегодовая температура воздуха у поверхности Земли равна 14,6 ⁰С. При отсутствии атмосферы и гидросферыпроизошло бынарушение существующего динамического равновесия между поступающей энергией и энергией, уходящей в космическое пространство. В такой ситуации среднегодовая температура воздуха была бы около –18 ⁰С.

Живое вещество выполняет следующие функции: энергетическую, деструктивную, концентрационную, газовую и средообразующую.

Энергетическая функция. Известно, что для функционирования любого объекта необходим источник энергии. Для существования и развития биосферы необходим внешний источник энергии, т.к. энергия внутренних источников (энергия распада радиоизотопов, внутреннее тепло Земли) невелика. Таким внешним источником является Солнце. Часть этой энергии поступает к Земле и поглощается биосферой. Основная часть поступившей энергии расходуется на поддержание физических и химических процессов в биосфере (испарение воды, перемещение водных и воздушных масс, выветривание горных пород и т.д.) и только около 1% участвует в биохимических реакциях фотосинтеза. Под фотосинтезом понимают превращение зелеными растениями и фотосинтезирующими микроорганизмами углекислого газа, воды и других минеральных элементов в сложные органические вещества под воздействием солнечной энергии и при участии поглощающих эту энергию пигментов.

Реакция фотосинтеза в общем случае имеет вид:

6СО₂ + 12Н₂О + 2821,9 кДж С₆Н₁₂О₆ + 6Н₂О + 6О₂.

Наряду с зелеными растениями процесс фотосинтеза осуществляюттакже и микроорганизмы-фотосинтетики.

В результате за год поглощается до 5,5 * 10¹² т СО₂, а в атмосферу поступает примерно 1,5…2,5 * 10¹⁰ т О₂ и синтезируется более 1*10¹¹ т природных органических веществ.

Таким образом, превращение солнечной энергии в энергию химических связей в хлорофиллоносных организмах – это главная функция живого вещества. Без этого остальные функции живого вещества были бы невозможны.

Деструктивная функция заключается в разложении мертвого органического и косного веществ на простые минералы с целью вовлечения их в биогенный круговорот.

Концентрационная функция. Одной из особенностей живого вещества является способность избирательного накопления атомов химических элементов, рассеянных в окружающей среде. Наиболее эффективными концентраторами являютсямикроорганизмы. Благодаря концентрационной функции живого вещества происходит накопление в определенных местах редких химических элементов, рассеянных в природе.

Газовая функция. Газовый обмен организмов в биосфере, т.е. дыхание, обеспечивает биогенную миграцию и превращение газов. Состав атмосферы соответствуют газам, образующимся при газовом обмене живых организмов.

Благодаря наличию газовой функции у живого вещества на нашей планете сформировалась уникальная атмосфера с высоким содержанием кислорода и низким содержанием углекислого газа, что обеспечивает умеренные температуры на границе раздела тропосферы и литосферы (или гидросферы)