Роль живого вещества в биосфере. Перспективы развития биосферы.
1. На основе анализа таблиц оцените роль живого вещества в биосфере.
Определите, какую часть в общей массе биосферы занимает живое вещество (табл.1) по отношению к другим геосферам Земли. Полученные данные запишите в таблицу.
Во сколько раз масса живого вещества планеты отличается (больше или меньше?) от массы самой легкой оболочки планеты?
Таблица 1. Масса и доля живого вещества и основных геосфер Земли
| Масса, в т | Доля, в % | |
| Живое вещество | 2.4 . 1012 | |
| Атмосфера | 5.15 . 1015 | |
| Гидросфера | 1.5 . 1018 | |
| Земная кора | 2.8 . 1019 |
По своему активному воздействию на окружающую среду живое вещество занимает особое место и качественно резко отличается от других неорганических природных образований, входящих в состав биосферы. Около 99% всего вещества в верхних слоях литосферы трансформировано живыми организмами. Понятно, что для осуществления подобной работы организмы должны обладать и значительной массой. Суммарная биомасса живых организмов Земли оценивается примерно в 2.4х1012 т.
Определите долю живого вещества в общей массе суши и Мирового океана, используя данные табл.2. «Распределение биомассы (по сухому веществу) живых организмов на Земле». Полученные данные запишите в таблицу. Проанализируйте результаты вычислений, сделайте вывод о соотношении биомассы растений и животных на суше и в океане.
Таблица 2. Распределение биомассы (по сухому веществу) живых организмов на Земле
| Масса, в 1012т | Масса в % | Масса в целом, % | ||
| Суша | Растения | 2.4 | ||
| Животные и микроорганизмы | 0.02 | |||
| Океан | Растения | 0.0002 | ||
| Животные и микроорганизмы | 0.003 | |||
| 2.4232 |
2. Энергетическая и концентрационная функции живого вещества в биосфере: грозит ли человечеству энергетический голод и способна ли хозяйственная деятельность людей повлиять на изменение климата планеты? Дайте ответ на основании анализа представленного материала.
В нижеследующих таблицах показана годовая величина потребления энергии человечеством (таблица 3) и учтенные запасы углеводородного сырья, которые будут извлечены из недр в обозримый период времени (таблица 4)
Таблица 3. Общие энергетические запасы по данным различных источников
| Вид энергетического сырья | Оценка мировых запасов углеводородного топлива (млрд.т относительно нефтяного эквивалента) экономически целесообразных к извлечению из недр и сжиганию на уровне современных технологий | Выделяемая энергия относительно нефтяного эквивалента |
| Нефть | 6,165 × 1021Дж | |
| Уголь | 4,8555 × 1022Дж | |
| Газ | 109 4905 | 4,905 × 1021Дж |
| ИТОГО углеводородов | 5,9625 × 1022Дж |
Таблица 4. Количество энергии, потребляемой человечеством в год без учета
альтернативных источников энергии
| Вид потребляемого энергетического сырья | Количество углеводородного топлива (млн.т относительно нефтяного эквивалента), потребляемого мировой экономикой в год | Выделяемая энергия относительно нефтяного эквивалента |
| Нефть | 1,39545 × 1020Дж | |
| Уголь | 0,9864 × 1020Дж | |
| Природный газ | 0,7821 × 1020Дж | |
| Всего углеводородов | 3,16395 × 1020Дж | |
| Гидроэлектроэнергия | 0,24345 × 1020Дж | |
| Атомная энергия | 0,20745 × 1020Дж | |
| ВСЕГО потребляемой энергии | 3,61485 × 1020Дж |
Примечание: Теплота сгорания нефти варьирует от 43,7 до 46,2 МДж/кг (10400 – 11000 ккал/кг). 1 Вт × час-1 = 3600 Дж × час-1 или 1 Дж = 1 Вт × с-1, 1Вт = 1 × 107 эрг × с-1, 1 Дж = 1 × 107 эрг = 0,2388 кал.
Всего в год человечество производит энергии – 3,61485 × 1020Дж. Но это не вся энергия, которая рассеивается в пространство. Часть энергии идет на производство продукции, срок разложения которой разный. По балансовым оценкам рассеяние энергии в пространстве в год, кроме аккумулированной энергии в произведенной продукции, составляет около 10%, то есть 3,61485 × 1019Дж.
С учетом того, что мировые запасы углеводородного топлива в нефтяном эквиваленте составляют 5,9625 × 1022Дж, то (по современным экономическим требованиям к технологиям извлечения, сжигания топлива) его количества хватит на 188 лет. В том числе нефти – на 44 года (то есть, до 2050 г); газа – на 62 года (то есть, до 2067 года); угля – на 492 года. Весьма пессимистическая картина, обрекающая в будущем на энергетический голод человечество. На самом деле это не так.
Потенциал гидроэлектроэнергетики – возобновляемый. Относительно сжигаемой нефти ежегодный прирост энергии при современных технологиях ее отъема от кинетической энергии падающей воды составляет 16,2%. На самом деле при разумном развитии гидроэнергетики к 2050 году (к моменту расходования ныне оцененных запасов нефти) ее доля может достигнуть 20% общего количества потребляемой энергии от сжигания нефти. Другими словами, энергетический прирост к 2050 году за счет модернизации и строительства новых ГЭС составит всего 3,8% от сжигаемой нефти. Это ненадолго продлит энергетический голод за счет расходования нефтяных запасов по приведенным выше оценкам.
Потенциал атомной энергетики в современных масштабах потребления составляет 13,5% в год от энергии, полученной при сжигании нефти. В недалеком будущем, за счет ввода новых АЭС, в мире доля атомной энергетики от сжигания нефти может быть достигнута 20%. Таким образом, к 2050 г доля энергии за счет ГЭС и АЭС достигнет 40% ныне оцененных энергетических запасов нефти. Следовательно, по пессимистическому сценарию расчета энергетического потенциала дефицит энергии человечество ощутит в объеме 60% уже к 2050 году.
Есть ли резервы энергии?
Средняя масса живого вещества оценивается величиной 2,4 × 1012 т. Если учесть, что первые живые организмы установлены только на рубеже 3,9 млрд. лет, то количество живого вещества в земной коре аккумулированное за это время составит 2,4 × 1012 x 3,9 × 109 = 9,36 × 1021 т (с учетом, что вся биомасса возобновляется ежегодно). При его сжигании выделилось бы энергии 4,212 × 1032 Дж.
Поскольку в земных слоях сохраняется не более 0,1% отмерших организмов, а остальные утрачиваются в процессе преобразования осадков, то остаток органического вещества, из которого могут быть сформированы углеводороды, составит 9,36 × 1018 т.
Современные подсчитанные запасы углеводородов в пересчете на нефтяной эквивалент составляют всего 1,318 × 1012 т. То есть, не учтенное количество углеводородов, образованных за счет отмирания живых организмов (9,36 × 1018 : 1,325 × 1012) более, чем в 7 миллионов раз больше, чем сегодня учитывается в запасах углеводородного сырья биосферы! Даже если учесть, что человечество добудет органического вещества в 100 раз меньше за счет его потери в недрах и то тогда человечеству органического топлива хватит как минимум на 70000 лет. Вывод напрашивается сам: человечеству даже в обозримом будущем не грозит энергетический голод от дефицита углеводородов. Только они могут быть рассеяны в толщах осадочных пород, например, в форме битумных сланцев, тощих углей, сконцентрированных в маломощных пластах и т.д. Но в условиях новых технологий их добычи и сжигания могут они могут дать человечеству огромные запасы топлива.
Если также принять во внимание ведущее значение жизни при формировании основных запасов углей, горючих сланцев, нефти и газа, которые могли быть сформированы в интервале последних 400 млн.лет, а энергию падающего на Землю излучения принять постоянной в 185,5 Вт × м–2 с, то энергия ископаемых углеводородов (при условии, что вся энергия пойдет на образование углеводородов при участии фотосинтеза и их полного сохранения в условиях земной коры), должна содержать в себе протосолнечные энергетические запасы 185,5 Вт × м–2 × 400 × 106 = 2,34 × 1018 Вт. А на всю поверхность материков 2,34 × 1018 x 148,9 × 1012 м-2 = 3,48 × 1032 Вт.
Поскольку материал углеводородов сохраняется в земной коре не более чем 0,1% от всего видового разнообразия на Земле, то на самом деле количество аккумулированной энергии за счет растений составит всего 3,48 × 1029 Вт. А если учесть, что из всей солнечной энергии, попадающей на поверхность Земли, поглощается растениями в 10 раз меньше, то количество аккумулированной энергии в ископаемом виде составит не более 3,48 × 1028 Вт.
Эти запасы углеводородного топлива человек не сможет добыть и сжечь полностью. Из всего накопленного углеводородного сырья в концентрированной форме (месторождений) не может быть топлива более чем 1%. 99% его находится в рассеянной форме и недоступно извлечению по экономическим и технологическим причинам. Таким образом, с учетом потери топлива в недрах, человек способен добыть и сжечь топлива не более чем 3 × 1026 Вт. Это (1,812 × 1035 : 3 × 1026) в 0,604 × 109 раз меньше энергетического потенциала биосферы, который был сформирован энергопотоком солнечного излучения за всю историю Земли.
То есть энергетический вклад человека и в будущем представляет собой каплю в энергетическом океане биосферы, даже если ему и удастся сжечь все добытое им топливо в форме углеводородов. Но даже если ему удастся сжечь все углеводороды и освобожденную энергию рассеять в биосфере, то за счет естественного круговорота воды (испарение, конденсация в атмосфере) она будет изъята из биосферы. Ведь только за счет сублимации льда современных ледников Земли под влиянием солнечной энергии поглощение энергии составит величину 1,3 × 1026 Вт.
Так грозит ли человечеству энергетический голод и может ли хозяйственная деятельность повлиять на состояние климата планеты? Ответ обосновать.
3. Перспективы развития биосферы.
И увидел Господь [Бог], что велико развращение человеков на земле, и что все мысли и помышления сердца их были зло во всякое время; и раскаялся Господь, что создал человека на земле, и восскорбел в сердце Своем. И сказал Господь: истреблю с лица земли человеков, которых Я сотворил, от человека до скотов, и гадов и птиц небесных истреблю, ибо Я раскаялся, что создал их.
Библия, Ветхий Завет, кн. Бытие, гл. 6,7.
3.1. Изучите фрагмент статьи Кулясова И.П. «Теория экологической модернизации» и заполните таблицу 5 «Основные концепции развития современного общества»:
Таблица 5.