Экологические функции литосферы

Современная ресурсно-экологическая характеристика природной среды как базис социотехногенеза.

Настоящий раздел, предваряя переход к рассмотрению вопросов промышленной экологии, основной задачей которой является определение допустимого уровня антропогенной нагрузки на природную среду, не приводящего к ее деградации, ставит своей целью дать общее представление о ресурсах планеты Земля, где человек разворачивает свою хозяйственную деятельность, стремясь в максимальной степени удовлетворить свои потребности.

Чего и сколько у него есть и как это работает? 

Термин "среда" обозначает вещество и/или пространство, окружающее рассматриваемый объект. Если в качестве объекта принять человека, а в качестве среды природную среду, то таким образом составляется понятие "природная среда, окружающая человека". Согласно определению Н.Ф. Реймерса это есть совокупность природных и незначительно измененных деятельностью людей абиотических и биотических естественных факторов, оказывающих влияние на человека.

Окружающая человека природная среда формировалась миллионы лет в процессе эволюционного формирования биосферы Земли, ее природных ресурсов.

Земля – третья от Солнца планета солнечной системы, вращающаяся вокруг него по эллиптической орбите со скоростью 29,765 км/с на расстоянии 149,6 млн. км. Период обращения Земли вокруг Солнца равен 365,24 сут., а вокруг своей оси – 23 ч 56 мин. 4,1 с. Вращение Земли вокруг своей оси вызывает смену дня и ночи, а вокруг Солнца – времён года.

 Объем земного шара = 1084 млрд. км³.

 Масса земного шара = 5,98*10²¹ т, средняя плотность = 5,52 т/м³.

 Площадь поверхности земного шара 510,2 млн. км², в том числе:

– мировой океан – 70,8% = 361 млн. км²,

– суша – 29,2% = 149 млн. км².

 Объем мирового океана (гидросферы) составляет1380 млн. км³, что приближенно составляет 1/800 объема земного шара.

 При всей значительности абсолютных характеристик, планета Земля является микропесчинкой в космосе, но при этом единственной пока на сегодняшний день песчинкой, на которой существует жизнь.

 Солнце, в поле гравитации которого находится Земля, одна из заурядных звезд Галактики, именуемой Млечный Путь, в которой насчитывается более 100 млрд. таких звезд. Расстояние от Солнца до центра Млечного Пути около 34 тыс. световых лет (1 св. год равен 9,4608Е+12 км).

 Во Вселенной миллиарды галактик, подобных Млечному Пути.

 Ближайшие галактики: Магеллановы Облака, Туманность Андромеды.

 Расстояние от Млечного Пути до гипотетического центра Вселенной 12 млрд. св. лет.

 Возвращаясь из бесконечных просторов Вселенной на планету Земля и продолжая описание природной составляющей, в изучаемой нами природной социо-техногенной системе, того природного начала, уже непосредственно вовлеченного человеком, социумом в хозяйственную деятельность, предполагается целесообразным привести данные, характеризующие ресурсно-экологический потенциал планеты Земля, который в значительной мере освоен и активно продолжает осваиваться человеком.

 Под ресурсно-экологическим потенциалом планеты Земля автор настоящего пособия понимает возможности использования всего природного начала планеты, в том числе всех ее экологических систем, человеком без нарушения тренда их устойчивого эволюционного развития.

На планете Земля выделяются пространственно-территориальные образования, различающиеся агрегатным состоянием их материального начала (атмосфера, гидросфера, литосфера), с присущими им климатическими характеристиками, населенные соответствующими видами биоты (флоры, фауны, микроорганизмов).

Вышеперечисленные абиотические и биотические компоненты составляют различного уровня экологические системы и биосферу в целом и во всем этом собственно говоря и сосредоточен ресурсно-экологический потенциал планеты Земля, без которого жизнь и дальнейшее развитие современного социума невозможно.

Представляется целесообразным привести основные статические морфометрические и динамические характеристики состояния и развития природной среды, как основы для последующего определения ее ресурсно-экологического потенциала, знание которого необходимо социуму в построении соответствующей модели предельно-допустимого преобразования биосферы в техносферу.

Ниже приводятся основные морфометрические характеристики основных составляющих сферических слоев, из которых состоит Земля (земная кора, и включающая её в себя литосфера, мантия, ядро), оболочек которые ее окружают (атмосфера и гидросфера), а также характеристики отражающие состояние и динамику изменения сосредоточенных в них земельных ресурсов, биоты в целом (флоры и фауны) и лесных ресурсов в частности, их роль и значение в формирование ресурсно-экологического потенциала планета Земля.

 

Атмосфера.

Атмосфера - это воздушная оболочка Земли, связанная с ней силой тяжести и принимающая участие в ее суточном и годовом вращении, характеризуется выраженной неоднородностью строения и состава. Атмосфера - самая тонкая оболочка Земли. Это самый маленький резервуар. Именно ограниченные размеры атмосферы делают её такой чувствительной к почти любому загрязнению. Даже внесение небольших количеств вещества может привести к значительным изменениям в поведении атмосферы. Следует заметить, что время перемешивания атмосферы очень мало. Такое перемешивание, распространяя загрязнители на большие площади, в то же время ослабляет их действие. В противоположность этому распространение загрязняющих веществ в океане идет намного медленнее, а в других резервуарах Земли происходит только в геологических временных масштабах, равных миллионам лет.

Через атмосферу осуществляется обмен вещества Земли с Космосом. Земля получает космическую пыль и метеоритный материал, теряет самые легкие газы: водород и гелий, тем самым меняется состав атмосферы.

Структура атмосферы включает в себя несколько оболочек или слоев. Нижний, наиболее плотный слой воздуха — тропосфера. В зависимости от широты Земли ее высота 10—15(18) км. Здесь содержится 80 % массы атмосферы и до 80% водяного пара, развиваются физические процессы, формирующие погоду и влияющие на климат различных районов нашей планеты.

Над тропосферой до высоты 40 км расположена стратосфера. В ней находится озоновый слой, поглощающий большую часть ультрафиолетовой радиации и предохраняющий жизнь на Земле. Основная масса озонового слоя сосредоточена в оболочке, расположенной на высоте 22 – 24 км.

Над стратосферой на высотах от 55 до 80 км располагается слой атмосферы, именуемый мезосферой (хемосферой). В этом слое, в противоположность стратосфере происходит уменьшение температуры от 0 градусов Цельсия на нижней границе слоя до минус 90 градусов Цельсия на верхней границе слоя. Мезосфера является одним из трех - нижним слоем ионосферы.

Ионосфе́ра, в общем значении — это слой атмосферы планеты, сильно ионизированный вследствие облучения космическими лучами. У планеты Земля - это верхняя часть атмосферы, состоящая из мезосферы, мезопаузы и термосферы, главным образом ионизированная облучением Солнца.

Термосфе́ра (от греч. θερμός — «тёплый» и σφαῖρα — «шар», «сфера») — слой атмосферы, следующий за мезосферой. Начинается на высоте 80—90 км и простирается до 800 км. Температура воздуха в термосфере колеблется на разных уровнях, быстро и разрывно возрастает и может варьировать от 200 К до 2000 К, в зависимости от степени солнечной активности.

Далее до 10 000 км простирается экзосфера, где плотность воздуха с увеличением высоты убывает, приближаясь к разреженности вещества в максимальном пространстве.

Масса атмосферного воздуха около 5,15Е+15 т, из которой 90% находится на высоте до 15 км. Состав атмосферы около Земли по объёму составляет, %:

азот – 78,09;

кислород – 20,95;

другие газы – 0,96, в том числе углекислый газ – 0,033.

Значение атмосферы.

Наличие атмосферы - одно из самых важных условий жизни на планете. Без еды человек может обходить­ся месяц, без воды — неделю, а без воздуха только несколько минут.

Атмосфера, как элемент глобальной экосистемы, выполняет следующие основные функции:

• защищает живые организмы от губительного влияния космических излучений и ударов метеоритов;
• регулирует сезонные и суточные колебания температуры (если бы на Земле не существовало атмосферы, то суточные колебания температуры достигали бы ± 200 °С);
• является носителем тепла и влаги;
• есть депо газов, которые принимают участие в фотосинтезе и обеспечивают дыхание;
• предопределяет ряд сложных экзогенных процессов (выветривание горных пород, деятельность естественных вод, мерзлоты, ледников и тому подобное).

Гидросфера.

Гидросфе́ра (от др.-греч. Yδωρ — вода и σφαῖρα — шар) — водная оболочка Земли. Её принято делить на Мировой океан, континентальные поверхностные воды и подземные воды.

Общий объём воды на планете — около 1,533 млрд. кубических километров (по измерению в 2013г.). Масса гидросферы — примерно 1,46·Е+21 кг. Это в 275 раз больше массы атмосферы, но лишь 1/4000 от массы всей планеты.

Гидросфера находится в тесной взаимосвязи с литосферой (подземные воды), атмосферой (парообразная влага) и живым веществом биосферы, в которое она входит в качестве обязательного компонента.

Состав гидросферы включает в себя все три агрегатных состояния воды.

Жидкая часть гидросферы сосредоточена в океанах, морях, озёрах, реках, подземных водах.

Парообразная часть гидросферы сосредоточена в атмосфере, пополняется за счёт испарения воды с земной поверхности и возвращается на неё в виде осадков (дождь, снег, град)

Твёрдая часть гидросферы (криосфера) сосредоточена в ледниках на поверхности морей и океанов в полярных областях, на вершинах высочайших горных массивов, а также в зонах вечной мерзлоты..

Мировой океан являет собою основную часть гидросферы (97% всего ее объема и 94,2% всей её площади). Это непрерывная, но не сплошная водная оболочка Земли, окружающая материки и острова, и отличающаяся общностью солевого состава. По отношению к общей поверхности планеты Земля мировой океан занимает 71% ее поверхности (361,1 млн. км2). Мировой океан включает в себя все моря и океаны Земли.

Общий объем воды мирового океана по данным французского специалиста К. Валло, которые он приводит в своей книге «Общая география моря» составляет 1,33 млрд. кубокилометров. Советский океанолог М. Львович оценивает Мировой океан в 1,37 млрд. кубокилометров. В некоторых зарубежных руководствах приводится еще большая величина - 1,421 млрд кубических километров.

Мировой океан делится на четыре основные части: Тихий (или Великий), Атлантический, Индийский, Северный Ледовитый океаны. Выделяют также Южный океан, объединяющий моря прилегающие к южному полюсу планеты.

Ю́жный океа́н (устар. Южный ледовитый океан ^[1]) — условное название вод трёх океанов (Тихого,Атлантического и Индийского), окружающих Антарктиду^[2] и неофициально выделяемых иногда как «пятый океан», не имеющий, однако, чётко очерченной островами и континентами северной границы. Условная площадь 20,327 млн км² (если принять северной границей океана 60-й градус южной широты). Наибольшая глубина (Южно-Сандвичев жёлоб) — 8428 м

Средняя глубина Мирового океана составляет 3800 м, а максимальная (Марианская впадина в Тихом океане) — 11 022 метра.

Среднее содержание солей составляет около 3,5% по массе, или 35г/л.

В верхнем слое океана содержит 140 трлн тонн углекислого газа и 8 трлн тонн кислорода.

Поверхностные континентальные воды (континентальные водные бассейны)представляют собой реки, озера, болота, водохранилища. Их воды составляют 0,35% от общей массы поверхностных вод гидросферы. Некоторые континентальные водоемы – озера – содержат соленую воду. Эти озера имеют либо вулканическое происхождение, либо представляют собой изолированные остатки древних морей, либо образованы в районе мощных отложений растворимых солей. Однако в основном континентальные водоемы пресные.

Пресная вода открытых водоемов также содержит растворимые соли, но в небольшом количестве. В зависимости от содержания растворенных солей пресную воду разделяют на мягкую и жесткую. Чем меньше в воде растворено солей, тем она мягче. Самая жесткая пресная вода содержит солей не более 0,005% по массе, или 0,5 г/л.

Поверхностные континентальные воды, занимая лишь малую долю в общей массе гидросферы, тем не менее играют важнейшую роль в жизни наземной биосферы, являясь основным источником водоснабжения, орошения и обводнения. В основном эту функцию выполняют пресноводные реки и озера. Кроме того речная сеть участвуют в формировании рельефа Земли.

К гидросфере суши кроме вышеупомянутых рек, озер, водохранилищ болот, относятся и ледники, в которых находится до 2,2% общего объема гидросферы. Суммарно гидросфера суши содержат до 3,5% от общего её объема. Из них лишь 2,5% - пресные воды.

Подземные воды находятся в толщах горных пород верхней части земной коры в жидком, твердом и парообразном состоянии. Основная их масса образуется вследствие просачивания с поверхности дождевых, талых и речных вод.

Объем подземных вод составляет около 2% общего объема гидросферы, что примерно в 100 раз больше объема поверхностных пресных вод озер, рек, болот и пр

По условиям залегания подземные воды подразделяются на:

почвенные, находящиеся в самом верхнем, почвенном слое;

грунтовые, залегающие на первом от поверхности постоянном водоупорном слое;

межпластовые, находящиеся между двумя водоупорными пластами;

Последние часто бывают напорными и тогда носят название артезианских.

Объем пресных водозапасов мира в целом невелик и, кроме того, рассредоточен по территории материков очень неравномерно. К тому же поверхностный сток подвержен резким сезонным колебаниям, снижающим возможности его хозяйственного использования. Наиболее значительными водными ресурсами на единицу площади располагает Южная Америка (слой стока – около 600 мм), за ней следуют Европа, Азия, Северная Америка, Африка, Австралия. В среднем для суши земного шара слой стока оценивается в 294 мм. Но по абсолютным объемам водозапасов на первом месте стоит Азия, которая за счет обширной территории располагает 10,5 тыс. км³ пресных вод. Однако на каждого жителя Азии приходится в год лишь 3,37 тыс. м³ при среднем показателе по Земле 7,7 тыс. м³ (в Европе – 4,7 тыс. м³).

Значение гидросферы

Вода играет важную роль в круговороте веществ на Земле. Вода участвует в формировании климата, погоды. Она, обладая большой теплоемкостью, определяет роль океанов в климатическом отношении. Океаны и моря, накопив запас тепла летом, согревают этим теплом атмосферу Земли. Содержащийся в воздухе водяной пар (наряду с углекислым газом) играет определяющую роль в тепловом балансе планеты, так как он, пропуская большую часть солнечных лучей, в значительной степени задерживает тепловое излучение планеты в мировое пространство. Из тропических широт океанические течения несут тепло в северные моря, смягчая и выравнивая климат планеты.

Вода является универсальным растворителем, из всех жидкостей она – наилучший растворитель, в ней растворяются почти все вещества, поэтому любые воды гидросферы можно рассматривать в качестве естественных растворов различной степени концентрации. Даже наиболее чистые атмосферные воды содержат 10 -50 мг/л растворенных веществ.

Вода активизирует процессы почвообразования и участвует в формировании плодородия почвы.

Велико биологическое значение воды.

Гидросфера перекрывается биосферой по всей своей толще, но наибольшая плотность живого вещества приходится на поверхностные прогреваемые и освещаемые солнцем слои, а также прибрежные зоны.

Именно в гидросфере зародилась жизнь на Земле. Лишь в начале палеозойской эры (около 540 млн. лет назад) нашей начался постепенный выход животных и растений на сушу.

С участием воды в процессе фотосинтеза происходит образование органического вещества, при этом выделяется кислород (это кислород, который содержался в воде). Он используется при дыхании и является основой для распространенных в природе и важных для обмена веществ окислительных процессов.

В водной среде протекает большинство химических реакций, связанных с обменом веществ в организме. Обмен веществ включает в себя как непременный, органически входящий в него процесс – водный обмен. Благодаря этому свойству вода стала носителем жизни. Только в жидкой водной среде совершаются процессы пищеварения и усвоения пищи в желудочно-кишечном тракте, идет синтез «живого» вещества в клетках организма. Вода входит в состав тел живых организмов, всех их органов и тканей. Потеря воды организмом ведет к его гибели. Для человека смертельна потеря воды в пределах 15–20%. Физиологическая потребность составляет в среднем 2,5 л воды в сутки. В общем, вода является структурной и функциональной основой жизни.

 

 

2.2.3. Педосфера, земная кора и литосфера.
Земельные ресурсы и недра.

Почва.

Почва - самый поверхностный слой суши земного шара, возникший в результате изменения горных пород под воздействием живых и мертвых организмов (растительности, животных, микроорганизмов), солнечного тепла и атмосферных осадков. Почва представляет собой совершенно особое природное образование, обладающее только ей присущим строением, составом и свойствами. Важнейшим свойством почвы является ее плодородие, т.е. способность обеспечивать рост и развитие растений. Чтобы быть плодородной, почва должна обладать достаточным количеством питательных веществ и запасом воды, необходимым для питания растений, именно своим плодородием почва, как природное тело, отличается от всех других природных тел (например, бесплодного камня), которые не способны обеспечить потребность растений в одновременном и совместном наличии двух факторов их существования – воды и минеральных веществ.

Почва - важнейший компонент всех наземных биоценозов и биосферы Земли в целом, через почвенный покров Земли идут многочисленные экологические связи всех живущих на земле и в земле организмов (в том числе и человека) с литосферой, гидросферой и атмосферой.

Роль почвы в хозяйстве человека огромна. Изучение почв необходимо не только для сельскохозяйственных целей, но и для развития лесного хозяйства, инженерно-строительного дела. Знание свойств почв необходимо для решения ряда проблем здравоохранения, разведки и добычи полезных ископаемых, организации зеленых зон в городском хозяйстве, экологического мониторинга и пр.

Земная кора.

На поверхности суши и под толщей воды морей и океанов существует твёрдая оболочка Земли, именуемая земной корой, которая опирается на второй нижележащий слой Земли, именуемый мантией, отличающийся от верхнего слоя составом и физическими свойствами

По сравнению с мантией и ядром земная кора представляет собой очень тонкий, жесткий и хрупкий слой. Она сложена более легким веществом, в составе которого в настоящее время обнаружено около 90 естественных химических элементов. Эти элементы не одинаково представлены в земной коре. На семь элементов - кислород, алюминий, железо, кальций, натрий, калий и магний - приходится 98 % массы земной коры

Земная кора отделяется от мантии резкой сейсмической границей, на которой наблюдается увеличение скорости продольных сейсмических волн (до 8,2 км/с), а также возрастание плотности вещества – от 2.9 до 5.6 г/см3. Эта граница в честь ее первооткрывателя – югославского геофизика Андрея Мохоровичича – была названа границей Мохо (или просто граница М).

По данным сейсмических исследований установлено, что земная кора на континентах и под океаном отличаются друг от друга по мощности и по структуре.

Континентальная земная кора имеет мощность от 30-50 км до 60-80 км.

Океаническая земная кора имеет мощность 5-10 км.

Континентальная земная кора в наиболее полном ее виде делится на 3 основных геофизических «слоя», которые отличаются по упругим свойствам и плотностным характеристикам пород:

1 .«Осадочный слой» («осадочный чехол», «неконсолидированная толща») сложена горизонтально или полого залегающими толщами осадочных и вулканогенных пород фанерозойского, реже – верхнепротерозойского возраста. Осадочный слой образован в основном осадочными горными породами. Здесь преобладают глины и глинистые сланцы, широко представлены песчаные, карбонатные и вулканогенные породы. В осадочном слое встречаются залежи таких полезных ископаемых, как каменный уголь, газ, нефть. Все они органического происхождения. Например, каменный уголь - это продукт преобразования растений древних времен. Мощность осадочного слоя колеблется в широких пределах — от полного отсутствия в некоторых районах суши до 20-25 км в глубоких впадинах.

2. «Гранитный» слой состоит из метаморфических и магматических пород, близких по своим свойствам к граниту. Наиболее распространены здесь гнейсы, граниты, кристаллические сланцы и др. Встречается гранитный слой не везде, но на континентах, где он хорошо выражен, его максимальная мощность может достигать нескольких десятков километров.

Мощность в областях развития типичной континентальной коры 10-20 км, изредка – до 25 км.

3 .«Базальтовый» слой (правильнее гранулито-базальтовый слой) нигде не обнажается и состоит, по косвенным данным, из глубокометаморфизованных пород гранулитовой фации и магматических пород существенно основного и частично ультраосновного составов со скоростями продольных волн от 6,5 до 7,3 км/с (в среднем 6,8-7 км/сек). Мощность от 15 до 25-30км.

Океаническая земная кора согласно сейсмическим и геологическим данным как правило состоит из 2-х слоев (по сравнению с континентальной земной корой отсутствует гранулито-базальтовый слой), реже (в некоторых местах) из 3-х слоев.

Нижний слой земной коры океанического типа также подстилается породами верхней мантии и переходный слой между ними еще более маломощный, чем под континентами.

Внутри земной коры, как континентальной, так и океанической выделяют области именуемые понятием недра в узком смысле этого слова. Ниже приводится толкование этих терминов (почвы, недра) с использованием материалов сайта Кругосвет.ру: - (http://www.krugosvet.ru/enc/nauka_i_tehnika/himiya/POCHVA.html)

Недра (Земли) – в широком смысле- простираются от ее поверхности до центра и включают земную кору, мантию Земли и ее ядро; в узком смысле - часть земной коры, расположенная ниже почвенного слоя, а при его отсутствии – ниже земной поверхности и дна водоёмов и водотоков, простирающаяся до глубин, доступных для геологического изучения и освоения.

Под термином «недра» иногда понимают не только подземное пространство с содержащимися в нем полезными ископаемыми, но и все другие полезные свойства недр, включая полости, энергетические и другие ресурсы

Полезные ископаемые делятся на твёрдые (уголь, руда, песок, гравий, и др.), жидкие (нефть, минеральные воды) и газообразные (горючие и инертные газы). Добыча полезных ископаемых в виду их истощения становится все более трудоёмкой и дорогой.

Литосфера.

Литосфера – наружная твердая оболочка Земли, включающая земную кору и верхнюю часть мантии. Литосфера включает осадочные, изверженные и метаморфические породы.

Описание литосферы согласно материалам сайта «Биофайл.ру» (http://biofile.ru/bio/5869.html) может быть представлено следующим образом.

Литосфера представляет собой верхнюю твердую оболочку планеты толщиной от 5 до 200 км.

Толщина литосферы под океанами составляет от 5 до 100 км (максимальное значение на периферии океанов, минимальное – под Срединно-океаническими хребтами).

Толщина литосферы на материках составляет 25-200 км (максимум – под древними платформами, минимум – под сравнительно молодыми горными массивами, вулканическими дугами).

Нижние слои литосферы без определенной резкой границы переходят в следующий нижележащий слой мантии земли астеносферу.

Сверху литосфера ограничивается гидросферой и атмосферой, частично проникающими в нее.

Экологические функции литосферы

Литосфера является геологической основой ландшафта, почв, средой обмена веществом и энергией с атмосферой и поверхностной гидросферой, через нее осуществляется круговорот воды в природе. Она служит накопителем пресных вод, входящих в структуру наземной биоты, обеспечивая процессы ее жизнедеятельности. Литосфера – среда сосредоточения природных минеральных ресурсов, необходимых для функционирования и развития человечества как общественной социальной структуры.

 

Химические ресурсы

Химический состав основных компонент современной окружающей среды планеты Земля формировался в течение всей истории её существования и на протяжении последних нескольких сотен миллионов лет остается практически неизменным. Стабильность элементного химического состава чрезвычайно важна для биотической составляющей природной среды.

С развитием биосферы, в результате жизнедеятельности живых организмов, происходило изменение химического состава атмосферы: уменьшилось количество углекислого газа и возросло количество чистого кислорода. Менялись и сами организмы. Если вначале это были анаэробные формы жизни, т.е. не включающие в свой метаболизм (жизненный цикл) процессы окисления чистым кислородом, то в более позднее время, когда кислорода в атмосфере стало достаточно, возникли аэробные современные организмы. Произошло это примерно 1,6 млрд. лет назад. Одновременно под действием солнечной радиации на высоте около 40 км над земной поверхностью стал формироваться озоновый слой, который, поглощая ультрафиолетовое жесткое излучение, предохраняет высшие организмы от вымирания. Полностью он сформировался несколько сотен миллионов лет назад. С тех пор химический состав окружающей среды практически не менялся и сохранился до нашего времени.