Строение, физические и химические свойства биосферы

Учение о биосфере и ноосфере В.И. Вернадского

Автором термина «биосфера» является французский естествои­спытатель Жан Батист Ламарк, который употребил его в 1803 г. в труде по гидрогеологии Франции для обозначения совокупности организ­мов, обитающих на земном шаре. Затем термин был забыт.

Биосфера (от греч. bios — жизнь и sphere — шар) — область «жиз­ни», пространство на поверхности земного шара, в котором обитают живые существа.

В 1875 г. его «воскресил» профессор Венского университета геолог Эдуард Зюсс (1831-1914) в работе о строении Альп. Он ввел в науку представление о биосфере как особой оболочке земной коры, охвачен­ной жизнью.

В таком общем смысле впервые в 1914 г. использовал этот термин русский ученый В.И. Вернадский в статье об истории рубидия в зем­ной коре.

В 1926 г. академик В.И. Вернадский опубликовал свой классиче­ский труд «Биосфера», где представил целостное учение о биосфере.

Вернадский впервые выдвинул тезис о роли живого вещества, т.е. биоты, в формировании и поддержании основных физико-химичес­ких свойств оболочек Земли. Он доказал, что совокупность всех живых организмов, несмотря на свою незначительную долю в общей массе Земли, играет огромную роль в геологической эволю­ции, во всех физических и химических процессах.

По В.И. Вернадскому, биосфера представляет собой уникальную геологическую оболочку земного шара, глобальную систему Земли, в которой геохимические и энергетические превращения определяют­ся суммарной активностью живых организмов.

Биосфера в современном понимании - это своеобразная оболочка Земли, содержащая всю совокупность живых организмов и ту часть вещества планеты, которая находится в непрерывном обмене с этими организмами.

В.И. Вернадский выделил в биосфере 7 разных, но геологически взаимосвязанных типов веществ:

1.Живое вещество — это совокупность живых организмов. Кроме растений и животных, В.И.Вернадский включает сюда и человечество, влияние которого на геохимические процессы отличается от воздействия остальных живых существ. Это воздействие сказывается, прежде всего, в создании многочисленных новых видов культурных растений и домашних животных. Такие виды не существовали раньше и без помощи человека либо погибают, либо превращаются в дикие породы. Поэтому В.И.Вернадский рассматривает геохимическую работу живого вещества в неразрывной связи животного, растительного царства и человечества.

2.Биогенное вещество — это геологические породы, созданные благодаря жизнедеятельности живых организмов: каменный уголь, известняк и др.

3.Косное вещество (атмосфера, горные породы, минералы и т. д.) — это вещество, которое образуется без уча­стия живого вещества.

4.Биокосное вещество (почвы, поверхностные воды и т. п.) создается одновременно и живыми орга­низмами, и косными процессами.

5.Радиоактивные вещества.

6.Рассеянные атомы.

7.Вещества космического происхождения (метеориты, космиче­ская пыль).

Решающее отличие живого вещества от косного заключается в следующем:

- изменения и процессы в живом веществе происходят значительно быстрее, чем в косных телах, поэтому для характеристики изменений в живом веществе используется понятие исторического, а в косных телах – геологического времени. Секунда геологического времени соответствует примерно ста тысячам лет исторического;

- в ходе геологического времени возрастают мощь живого вещества и его воздействие на косное вещество биосферы. Это воздействие, указывает В.И. Вернадский, проявляется прежде всего "в непрерывном биогенном токе атомов из живого вещества в косное вещество биосферы и обратно";

- только в живом веществе происходят качественные изменения организмов в ходе геологического времени. Процесс и механизмы этих изменений впервые нашли объяснение в теории происхождения видов путем естественного отбора Ч.Дарвина (1859 г.);

- живые организмы изменяются в зависимости от изменения окружающей среды, адаптируются к ней и, согласно теории Дарвина, именно постепенное накопление таких изменений служит источником эволюции.

Вернадский выделил в биосфере три главные геосферы:

—газовую оболочку (атмосфера);

—водную оболочку (гидросфера);

—каменную оболочку (литосфера).

I.Газовая (газообразная) оболочка Земли — атмосфера. Атмосфера Земли состоит из смеси газов, водяных паров и мелких частиц твердых веществ. Основа атмосферы — воздух, пред­ставляющий собой смесь газов, в первую очередь азота, кислорода, ар­гона и углекислого газа.

Атмосфера относится к азотно-кислородному типу и отличается малым содержанием инертных газов (за исключением аргона) и мо­лекулярного водорода.

В атмосфе­ре различают несколько сфер, разделенных узкими переходными зо­нами:

1. Тропосфера— нижний, примыкающий к Земле слой до 12-14 км. Данный атмосферный слой содержит примерно 90 % массы воздуха, а также основное коли­чество атмосферных примесей.

В отличие от других, более высоко расположенных слоев, у тропо­сферы есть ряд характерных свойств. К ним относятся:

—постоянные суточные и сезонные колебания температуры;

—постоянное перемещение воздушных потоков;

—постоянное присутствие значительного количества водяных па­ров, обусловливающих образование различного рода конденсатных явлений (облака, туманы, атмосферные осадки);

— наличие довольно значительного количества посторонних при­месей (твердые, жидкие и газообразные загрязнения).

2.Стратосфера— слой, следующий после тро­посферы до 80 км.

Загрязнения, попадающие в стратосферу, имеют ряд особенностей. В силу значительной удаленности от поверхности Земли они имеют весьма малый вес, а поэтому скорость их оседания очень незначитель­на. Горизонтальными потоками воздуха они разносятся на очень боль­шие расстояния и практически распространяются над всей земной по­верхностью, что дало основание назвать их «глобальными». Это обсто­ятельство сыграло существенную роль в процессе заключения согла­шения о запрещении испытаний ядерного оружия во внешней среде.

3.Мезосфера —слой, расположенный выше стратосферы.

4.Термосфера —слой, находящийся выше мезосферы.

5.Ионосфера —верхний слой атмосферы до 600—1000 км, перехо­дящий в межпланетарное пространство.

Этот слой характеризуется значительной степенью ионизации воз­духа, сильной степенью его разрежения. В нижней части ионосферы возникает «северное сияние», наблюдае­мое в районах за Полярным кругом.

Таким образом, воздушная оболочка имеет наибольшую плотность у поверхности Земли, постепенно разрежается и теряется на высоте около 1000 км.

II. Гидросфера —это водная оболочка Земли; совокупность океа­нов, морей, водных объектов суши (реки, озера, болота водохранили­ща), подземных вод, включая запасы воды в твердой фазе (ледники, снежный покров).

Земная поверхность на значительном протяжении покрыта водой: 71 % ее занимают океаны, око­ло 5 % — континентальные (внутренние) водоемы.

III. «Каменная оболочка» Земли — литосфера (греч. lithos — ка­мень) — представляет собой верхнюю часть земной коры. В контек­сте биосферы под литосферой обычно понимают только поверхност­ную ее часть — почву. Поэтому иногда употребляют термин педосфера — почвенная оболочка земной коры.

Литосфера включает земную кору и часть верхней мантии плане­ты, имеет толщину от 50 до 75 км на континентах и 5-10 км ниже дна океана. Верхние слои литосферы (2-3 км, а по некоторым данным — до 8,5 км) иногда называют литобиосферой.

Почва как самый верхний и плодородный слой литосферы явля­ется связующим звеном между всеми оболочками планеты и живы­ми организмами. Она играет важную роль в процессах обмена веществ и энергии между компонентами биосферы.

Таким образом, понятие биосферы имеет два аспекта: с одной стороны, как специфической оболочки земного пространства, с дру­гой, — как глобальной экосистемы.

С точки зрения составляющих ее компонентов, биосфера — это нижняя часть атмосферы, гидросфера и верхняя часть литосферы, населенные живыми организмами, или, по выражению В.И. Вернад­ского, — «область распространения живого вещества».

Верхняя граница биосферы находится на высоте 15-20 км от поверхности Земли, в стратосфере. Этот верхний предел жизни огра­ничивается ультрафиолетовыми лучами и космическими излучения­ми. Нижняя граница жизни проходит по литосфере на глубине 2-3 км (здесь в нефтеносных слоях были обнаружены бактерии) и по дну оке­ана в гидросфере (10-12 км). Жизнь в основном сосредоточена в верх­ней части литосферы (в почве) и в верхней части гидросферы.

Таким образом, средняя толщина биосферы составляет 12-17 км, а максимальная не превышает 33-36 км.