Химический состав биосферы отличается однородностью


Составные части биосферы

Биосфера является одной из основных геологических оболочек Земли, т.е. геосфер. Среди других геосфер выделяют литосферу – земную кору вплоть до верхней мантии, гидросферу (все воды Земли), и атмосферу – газовую оболочку Земли. Пространственно биосфера охватывает самые поверхностные слои литосферы, нижнюю часть атмосферы (тропосфера) и всю гидросферу. Пределы существования жизни (и, соответственно, распространения биосферы) в литосфере и атмосфере определяются значениями специфичных для этих геосфер факторов среды, несовместимыми с жизнедеятельностью даже наиболее эврибионтных организмов. В гидросфере такого предела нет, она заселена живыми организмами полностью.

Вблизи границ биосферы обитают в основном некоторые микроорганизмы, обладающие особыми приспособлениями к специфичным условиям абиотической среды, (или в виде спор); в основном биомасса сосредоточена в местах контакта основных сред жизни.

Общая биомасса Земли составляет около $2,4cdot 1012$ т (на нее приходится всего 0,01 % массы всего вещества, попадающего в границы биосферы). 97 % из этого количества приходится на растения, 3 % – на животных. В наши дни на Земле существует несколько миллионов видов живых организмов.

Готовые работы на аналогичную тему


  • Курсовая работа Состав биосферы 480 руб.
  • Реферат Состав биосферы 260 руб.
  • Контрольная работа Состав биосферы 210 руб.

Биосфера пропускает через себя большую часть энергетических потоков на Земле. В год до поверхности нашей планеты доходит примерно 1024Дж солнечной энергии; 42 % из этого количества отражается в космос, а 58% поглощается. Дополнительным источником энергии служит тепло земных недр. В структуре поглощенной энергии около пятой части переизлучается в космос в виде тепла, десятая часть расходуется на испарение воды.

Зеленые растения перерабатывают за счет фотосинтеза ежегодно 1022 Дж в год, при этом поглощают $1,7cdot 108$ т $CO_2$, выделяют в атмосферу около $11,5cdot 107$ т кислорода и при транспирации испаряют $1,6cdot 1013$ т воды. Одновременно с фотосинтезом в биосфере происходит почти такой же по масштабам противоположный ему процесс –окисление органики при дыхании и разложении.

Химический состав организмов

В живых организмах обнаружены все известные на сегодняшний момент науке химические элементы.


которые из их числа (водород, кислород, углерод, азот, фосфор и другие) необходимы для существования организмов, большая часть элементов (рубидий, платина, уран и мн. др.) содержатся в живых тканях в исключительно малых количествах, и не только не требуются самим организмам для жизнедеятельности, но и при повышении концентрации могут быть весьма вредны для них. В зависимости от количества химических элементов (имеются в виду только те, которые играют какую-либо биологическую роль и являются необходимыми для живых объектов) в живых организмах, их подразделяют на несколько категорий:

  1. Биогенные элементы, или макронутриенты. Это кислород, углерод, водород, азот. Их доля в организме составляет от 3% его массы (азот), до 68% (кислород).
  2. Макроэлементы. Эти химические вещества содержатся в организмах в значительно меньшем отношении. Например, для человека суточная норма макроэлементов лишь немного превышает 200 мг, для более мелких организмов она, соответственно, тоже меньше. Это калий, кальций, магний, натрий, сера, фосфор и хлор.
  3. Микроэлементы. Их содержание в организме крайне мало, однако они необходимы для жизнедеятельности, поскольку участвуют в некоторых важных биологических процессах, многие из них входят в состав ферментов. Таких веществ, по современным данным, насчитывается более трех десятков.

В состав некоторых организмов в большом количестве входят определенные химические элементы, несвойственные большинству биологических видов. Например, асцидии накапливают ванадий. Роль таких элементов в жизнедеятельности накапливающих их организмов не всегда известна. Однако в этом накоплении проявляется концентрационная функция организмов в биосфере. Организмы участвуют в миграции химических элементов как непосредственно, так и косвенно.


Источник: spravochnick.ru

Конспект лекций по курсу

«Геохимия окружающей среды»

Оглавление

1. Геохимическое поле биосферы Земли. 4

1.1. Химический состав объектов биосферы.. 4

1.1.1.Литосфера. 5

1.1.2.Гидросфера. 11

1.1.3.Атмосфера. 13

1.1.4.Живое вещество. 14

1.2. Геохимическая классификация химических элементов. 16

1.3. Формы нахождения химических элементов в биосфере. 19

1.4.Геохимические аномалии. 21

1.5. Факторы миграции химических элементов в биосфере. 24

1.6.Геохимические барьеры.. 29

1.6.1. Концентрирование химических элементов на физико-химических геохимических барьерах 31

1.6.2. Концентрирование химических элементов на механических геохимических барьерах 41

1.6.3. Концентрирование элементов на биогеохимических барьерах. 43

1.6.4. Концентрирование элементов на техногенных барьерах. 44

2.Геохимия природных ландшафтов. 47


2.1. Процессы трансформации солнечной энергии в ландшафте. 48

2.2.Круговорот воды в природно-территориальных комплексах. 50

2.3. Биогеохимический круговорот атомов в ландшафте. 52

2.3.1.Круговорот углерода. 53

2.3.2.Круговорот азота. 54

2.3.3.Круговорот фосфора. 55

2.3.4.Круговорот серы.. 56

2.4.Процессы выветривания в природных ландшафтах. 57

2.5.Геохимические процессы в природных (фоновых) ландшафтах. 62

2.5.1. Геохимия гумидных ландшафтов. 62

2.5.2.Геохимия аридных ландшафтов. 68

2.6.Закономерности воздушной (атмосферной) миграции химических элементов в ландшафтах 70

2.7.Закономерности процессов водной миграции химических элементов в биосфере. 73

2.7.1. Геохимическая классификация природных вод. 74

2.7.2. Миграция химических элементов в природных водах. 80

2.7.3.Особенности геохимических процессов распределения и миграции химических элементов в природных и техногенных водных потоках рассеивания. 82

3.Геохимия техногенных ландшафтов. 86

3.1.Количественные показатели техногенного геохимического воздействия. 86

3.2. Устойчивость природных ландшафтов к техногенным геохимическим нагрузкам.. 92

3.3. Техногенные геохимические аномалии. 94

3.4. Геохимия городских ландшафтов. 97

3.4.1. Атмосферные выпадения. 97

3.4.2. Техногенные потоки в водах и донных отложениях. 102

3.4.3. Биогеохимия городской среды.. 103


3.4.4. Направления эколого-геохимической оценки городских ландшафтов. 104

3.5.Геохимия горно-промышленных ландшафтов. 106

3.5.1. Характерные особенности горно-промышленных ландшафтов. 106

3.5.2.Атмосферные потоки рассеивания при разработке месторождений. 109

3.5.3.Водные потоки рассеивания в горно-промышленных ландшафтах. 110

3.5.4. Геохимические процессы в отдельных горно-промышленных ландшафтах. 111

3.5.5. Эколого-геохимическая оценка воздействия горного предприятия на окружающую среду 116


1. Геохимическое поле биосферы Земли

Жизнь и деятельность людей, а также человеческого общества происходит на поверхности земной коры. Земная кора, имеющая толщину твердой части около 33 км, состоит из трех геосфер, различающихся по физическому состоянию и химическому составу:

  1. Литосфера – каменная оболочка земной коры, состоящая из изверженных, метаморфических и осадочных горных пород.
  2. Гидросфера – водная оболочка, включающая в себя воды Мирового океана, континентальные воды, а также подземные воды, насыщающие горные породы.
  3. Атмосфера – газовая оболочка, состоящая в основном из азота, кислорода, аргона с примесями водяных паров, углекислого газа, благородных газов.

Геосферы земной коры являются продуктом и результатом длительной совместной эволюции, начавшейся по современным представлениям более 4 млрд. лет назад. Эта эволюция продолжается и в наше время и обусловлена постоянным взаимодействием перечисленных геосфер. Взаимодействие геосфер происходит, главным образом, на поверхности литосферы, где происходит взаимодействие твердой оболочки земной коры с водной и газовой оболочками. Также интенсивно взаимодействуют между собой на границе раздела атмосфера и гидросфера.


Область возникновения жизни, её последующая эволюция и расцвет также связаны с областью взаимодействия геосфер земной коры. Возникновение жизни на Земле, материальным воплощением которой являются многочисленные виды живых организмов, привело к появлению на поверхности земной коры новой системы, получившей название биосферы.

Биосфера – область нашей планеты, в которой существует или когда-либо существовала жизнь и которая постоянно подвергается или подвергалась воздействию живых организмов.

В.И. Вернадский, в своих трудах обосновал ведущую роль живых организмов в преобразовании земной поверхности [1].

Значение живых организмов для функционирования биосферы обусловлено их большим разнообразием, повсеместным распространением, длительностью существования в истории Земли, избирательным характером биохимической активности и исключительно высокой химической активностью по сравнению с другими компонентами природы.

Таким образом, понятие об окружающей среде (среда обитания человека) включает комплекс факторов, которые определяются конкретными особенностями взаимодействия четырех геосфер – биосферы, литосферы, гидросферы и атмосферы [2].


По современным данным количественные оценки объектов биосферы следующие[3]:

· литосфера (земная кора) – 28,46 × 1018 т;

· гидросфера – 1,41 × 1018 т;

· атмосфера – 5,2 ×1015 т;

· живое вещество – 2,44 ×1012 т.

Каждый из объектов биосферы Земли — литосфера, гидросфера, атмосфера и живое вещество имеет свой, характерный только для этого объекта химический состав.

При характеристике химического состава отдельных составляющих биосферы, вводится понятие геохимического поля.

Геохимическое поле — земное пространство, характеризуемое содержанием химических элементов или их соединений (Сх) в виде функции пространственных координат ( x, y, z ) и времени (t):

Cx = f( x, y, z, t) > 0

Для геохимического поля характерно, что встречаемость (вероятность обнаружения) для любого химического элемента и в любой точке поля равна 100%. Необнаружение элемента при проведении конкретного химического анализа связано лишь с недостаточной чувствительностью применяемой методики анализа. Эта закономерность носит название закона Вернадского.

В преобладающей части пространства геохимического поля объектов биосферы концентрации химических элементов примерно постоянны (для каждого элемента значение концентрации свое).


Средние значения концентраций химических элементов в объектах биосферы носят название кларков (в честь американского ученого — геохимика Ф.У.Кларка, исследования которого положили начало изучению химического состава земной коры).

Кларк элемента — это среднее содержание элемента в том или ином объекте биосферы.

Если в какой — то части геохимического поля фиксируется отклонение содержания элемента (Сх) от его кларка (в сторону понижения или увеличения), то такое явление называется геохимической аномалией.

Примером геохимических аномалий служат месторождения полезных ископаемых.

В геохимическом поле под воздействием различных по природе сил возникают миграционные потоки химических элементов или геохимические потоки рассеивания.

Многие процессы в геохимическом поле протекают в условиях подвижного равновесия или стремятся к регулярному режиму. Поэтому для конкретной геологической эпохи геохимическое поле в целом не зависит от времени, но для отдельных частей геохимического поля временной параметр играет важную роль, в частности, при формировании техногенных геохимических аномалий.

Источник: studopedia.ru


План

Лекция № 3

Тема:Элементный и химический состав биосферы

Цель:Дать основные понятия и определения учения о биосфере; сформировать у студентов представления о строении биосферы Земли

1. Земная кора

2. Гидросфера

3. Атмосфера

4. Органическое вещество

Масса земной коры оценивается в 28,46х1018 т, гидросферы – 1,47х1018 т ( т.е. почти в 20 раз меньше), а атмосферы – всего в 0,005х1018 т. Общая масса живого вещества по современным оценкам составляет лишь около 0,00001% массы земной коры. Таким образом, именно земная кора содержит основной резерв химических элементов, которые вовлекаются в миграционные процессы, в том числе, и под воздействием живого вещества. Концентрация и распределение химических элементов в земной коре оказывает сильное влияние на состав живых организмов.

1.Земная кора.Из первых трех геосфер ведущая роль, несомненно, принадлежит земной коре, так как её общая масса многократно превосходит суммарную массу двух других оболочек. Поэтому данные об относительном содержании того или иного химического элемента в земной коре можно в значительной мере считать и отражающими его содержание в биосфере в целом.

Наружная твердая оболочка Земли — земная кора более чем на 99% сложена всего 9 основными элементами: O (47%), Si (29,5%), Al (8,05%), Fe (4,65%), Ca (2,96%), Na (2,50%), K (2,50%), Mg (1.87%), Ti (0,45%). В сумме – 99, 48%. Из них кислород является абсолютно преобладающим.


Очевидны достаточно существенные различия в распределении атомов химических элементов по весу и объему:

— в резком понижении относительного содержания Al и особенно Si (из-за малых размеров их атомов, а для кремния – в ещё большей мере ионов в его кислородных соединениях)

— ещё более явно подчеркивается ведущая роль кислорода в литосфере (оксисфера по В.М. Гольдшмидту).

При этом выявлены «аномалии» в содержаниях некоторых элементов в литосфере:

— «провал» в содержаниях наиболее лёгких элементов (Li, Be, B) – объясняется особенностями процесса нуклеосинтеза (преимущественное образование углерода в результате соединения сразу трёх ядер гелия);

— относительно высокие содержания элементов, являющихся продуктами радиоактивного распада (Pb, Bi, а также Ar среди инертных газов).

В условиях Земли аномально низки содержания еще двух элементов: H и He. Это связано с их «летучестью». Оба эти элемента – газы, и, к тому же, самые легкие. Поэтому атомарные водород и гелий имеют тенденцию перемещаться в верхние слои атмосферы, а оттуда, не удерживаясь земным тяготением, рассеиваются в космическом пространстве. Водород до сих пор не потерян полностью, так как большая его часть входит в состав химических соединений – воды, гидрооксидов, гидрокарбонатов, гидросиликатов, органических соединений и др. А гелий, являющийся инертным газом, постоянно образуется как продукт радиоактивного распада тяжелых атомов.



Таким образом, земная кора по существу является упаковкой анионов кислорода, связанных друг с другом кремнием и ионами металлов, т.е. она состоит почти исключительно из кислородных соединений, преимущественно, из силикатов алюминия, кальция, магния, натрия, калия и железа.

Наиболее распространенные элементы принято называть макроэлементами. Элементы же, содержание которых составляет сотые доли процента и менее называются микроэлементами. Понятие это относительное, так как конкретный элемент может быть микроэлементом в одной среде, а в другой относиться к основным, т.е. макроэлементам (Например, Al в организмах –микроэлемент, а в литосфере — макроэлемент, железо в почвах – макроэлемент, а в живых организмах — микроэлемент).

Для обозначения величины содержания конкретного элемента в той или иной среде используется понятие «кларк». Этот термин связан с именем Ф.У. Кларка – американского геохимика, впервые предпринявшего на базе обширного аналитического материала вычисление средних содержаний химических элементов в различных типах горных пород и в литосфере в целом.

Основной объём литосферы сложен силикатными и алюмосиликатными горными породами. Подчинённое значение имеют породы карбонатные, фосфатные, сульфатные, галогенные, сульфидные, алюмооксидные, железооксидные и другие ещё более редкие химические типы.

Существенные различия в геохимической специализации имеются и внутри этих типов горных пород (деление силикатов на кислые и основные).

В кислых относительно повышены концентрации Li, Be, Rb, TR, Ba, Tl, Th, U, Ta.

В основных – Cr, Sc, Ni, V, Co, Pt.

Часть элементов ведёт себя безразлично по отношению к изменению кремнекислотности горных пород.

Приведем порядок кларков различных элементов по В.Ф. Барабанову:

Более 10 000 г/т — O, Si, Al, Fe, Ca, Mg, Na, K.

1000-10 000 — Mn, Ti.

100-1000 — C, F, P, S, Cl, Rb, Sr, Zr, Ba.

10-100 — Pb, Th, Y, Nb, La, Ce, Nd, Li, B, N, Sc, V, Cr, Co, Ni, Cu, Zn, Ga.

1-10 — Eu, Dy, Ho, Er, Yb, Hf, Ta, W, Tl, U, Ge, As, Br, Mo, Sn, Sc, Pm, Sm, Be.

0,1-1,0 — Cd, Bi, In, Tu, I, Sb, Lu.

0,01-0,1 — Ar, Se, Ag, Hg.

0,001-0,01 — Re, Os, Ir, Ru, Rh, Pd, Te, Pt, He, Au.

По этой градации элементы, имеющие кларки выше 1000 г/т будут относиться к макроэлементам. Те, у которых кларки ниже – микроэлементы.

 

2. Гидросфера.Водная оболочка — гидросфера (от греческого "гидрос" — вода) объединяет в себе моря и океаны, а также все водоемы в пределах суши: реки, ручьи, озера, болота и т.д., вплоть до мелких луж. Эта оболочка во много раз тоньше атмосферы. В океанах ее толщина в основном находится в пределах 4-5 км, лишь в самых глубоких местах достигая 10 км или чуть более. А обычная глубина водоемов на суше — всего лишь несколько метров, редко — десятки метров, а еще большей она бывает в совсем исключительных случаях. Но, несмотря на столь незначительные размеры, гидросфера играет важнейшую роль в формировании облика нашей планеты, в процессах, происходящих на ее поверхности.

Большая часть поверхности нашей планеты представляет собой водную оболочку (71% площади поверхности Земли приходится на Мировой океан). Можно сказать, что континенты как бы плавают в Мировом океане. Основные компоненты воды – водород и кислород. Гидросфера представляет собой прерывистую оболочку, образованную пресной, соленой и твердой водой. Она включает в себя океаны с морями и заливами, озера, воды рек и ручьев, грунтовые воды, а также снег и лед.

Наиболее обводнена именно географическая оболочка (а, соответственно, и биосфера), в которой вода является самым распространённым веществом. 97% (1 370 000 км3) общей массы воды в биосфере Земли сосредоточено в Мировом океане, средняя глубина которого около 3 800 м.. На долю пресной воды приходится всего 2%, причем лишь 0,025% (360 000 км3) пресной воды находится в жидком состоянии (в реках озерах и других водоемах, почве), 1,6% — это лед, а 4% — подземные воды, большая часть которых представляет собой глубинные рассолы.

Свойства воды резко отличают ее от всех известных веществ на Земле. Вода – аномальное вещество. Причем. аномальны практически все свойства этой самой распространенной на Земле жидкости. Аномальны ее теплоемкость, коэффициент теплового расширения, величина поверхностного натяжения, температуры кипения и замерзания, диэлектрическая постоянная и т.д. По этим параметрам вода резко отличается от всех других известных жидкостей. У подавляющего большинства веществ твердая фаза тяжелее жидкой, а лед легче воды и плавает на ее поверхности. Причина – ажурная кристаллическая структура льда.

В.И. Вернадский разделил все воды на 3 подгруппы: твердую воду (льды), газообразную (надземные и подземные пары) и жидкую. Среди жидких вод им были выделены классы пересных, соленых и рассольных вод. По физико-геологическим параметрам и характеру водовместилищ им были выделены царства, под царства и семейства вод:

Царства: поверхностных, подземных и глубинных вод.

Семейства: озерных, болотных, пластовых и др. вод.

По газовому составу: кислородные, углекислые. метановые, азотные. сероводородные, водородные воды и т.д.

Таким образом, классификация В.И. Вернадского учитывает не только геохимические особенности вод, но и физико-географические, а также геологические условия их распространения.

Все природные воды тесно связаны между собой и находятся в постоянном движении. Даже самые глубокие подземные воды участвуют в общем круговороте. Вода – самая универсальная и самая важная среда миграции. Все природные воды содержат растворенные газы, ионы недиссоциированные молекулы и коллоидные частицы. Вода – «это кровь земной коры».

Так как морская (точнее, океаническая) вода составляет основную массу гидросферы, именно ее состав без особой ошибки может быть принят за средний состав этой оболочки. Плотность этой воды нормальной солености при 0оС составляет 1,028. В океанических водах, помимо главных элементов — кислорода и водорода, входящих в состав самой воды, содержатся в растворенном состоянии многие химические элементы. Причем общее содержание количество растворенных соединений (или солей) в морской воде — соленость морской воды принято выражать в граммах на килограмм морской воды или в частях на тысячу (о/оо) или промилях. В открытом океане соленость колеблется в среднем около 35о/оо, поднимаясь до 40 о/оо в Красном море и Персидском заливе.

Приведем для примера общее количество некоторых растворимых форм химических элементов, содержащихся в морской воде (в млн. т):

Cl – 26 513 610 000, Na – 14 746 680 000, SO42- — 3 70 370 000, S – 1 216 300 000, HCO3- — Mg – 1 776 890 000, Ca – 558 960 000, K – 530 190 000, 195 910 000, Br – 92 201 000, Sr -11 097 000, B – 6 096 000, Si – 4 110 000,….Mo – 13 700, Zn – 6 850, Fe -4658, Al – 1370,…Au – 15,1.

Химические элементы в гидросфере находятся в разнообразных формах. Среди них наиболее характерны простые и комплексные ионы, а также молекулы, находящиеся в состоянии сильно разбавленных растворов. Распространены ионы, сорбционно связанные с частицами коллоидных и субколлоидных размеров, присутствующими в составе морской воды в виде тонкой взвеси. Особую группу составляют элементы органических соединений.

Морская вода также содержит в растворенном состоянии и газы. Поскольку атмосфера и гидросфера находятся в контакте, должно существовать определенное соотношение между количеством газов в растворе и их парциальным давлением в атмосфере.

Б. Мейсон приводит данные по концентрациям некоторых газов, растворенных в морской воде:

Кислород – 0 -9 мг/л, азот – 8,4-14,5 мг/л, углекислый газ – 34 – 56 мг/л, агон – 0,2-0,4 мг/л, гелий и неон – 1,7х10-4 мг/л, сероводород – 0 -22 мг/л.

Щелочно-кислотные условия вод характеризуются величиной pH – отрицательным логарифмом концентрации водородных ионов. От изменения этого параметра существенно зависит растворимость различных соединений. Так, осаждение из растворов гидроксидов металлов зависит, главным образом, от соотношения двух параметров: величины pH и концентрации ионов металлов в растворе. Органические соединения обладают способностью усреднять сильнокислую и сильнощелочную среду. Слабые органические кислоты нейтрализуют щёлочи и делают щелочную реакцию более слабой, а слабые органические основания таким же образом нейтрализуют сильные кислоты.

Мировой океан – ключевое звено в биосфере. Его значение определяется несколькими факторами:

ролью в энергетическом балансе (воды Мирового океана – аккумулятор тепловой энергии; избыток солнечной радиации расходуется на испарение океанических вод);

ролью в круговороте воды (океан как накопитель вод и начальное звено в экзогенном круговороте воды);

ролью океана как двустороннего фильтра (с одной стороны – осаждающего основной объём загрязнителей, поступающих с суши; с другой – растворяющего и осаждающего излишки вулканических и атмосферных газов).

Кроме того, океан – колыбель жизни на нашей планете. Именно с океана началось формирование биосферы Земли, и сейчас здесь развиты многочисленные сообщества живых организмов с огромной биомассой и высоким видовым разнообразием.

Именно с Мирового океана началось формирование биосферы. Здесь зародилась жизнь в известных нам формах, здесь же она развивалась на протяжении более трёх миллиардов лет – и лишь потом живые организмы стали осваивать иные обстановки в пределах географической оболочки нашей планеты. Уже этого достаточно, чтобы считать, что океан сыграл исключительно важную роль в формировании на Земле биосферы.

Но основную роль в циркуляции воды на Земле играет атмосферная влага – водяной пар и взвешенные частицы. Поступает вода в атмосферу в результате испарения под действием солнечной радиации. При этом, чем больший поток солнечной радиации достигает поверхности океана, тем большая доля энергии тратится на испарение (по отношению к нагреванию водной поверхности). Это очень важный механизм, способный существенно сглаживать температурные колебания и обеспечивать высокую степень стабильности температурного режима в ГО. Возможно, именно благодаря наличию Мирового океана с его терморегулирующей ролью значения температур в географической оболочке Земли за всю её геологическую историю никогда не выходили за рамки диапазона, в котором могут существовать известные нам формы жизни.

Водяной пар поднимается в более высокие слои атмосферы, а потоки воздушных масс разносят его по всей поверхности планеты. Охлаждаясь в атмосфере, водяной пар конденсируется и выпадает на поверхность в виде атмосферных осадков. Большая часть их (около 77%) выпадает над поверхностью океана. Так что основная доля круговорота воды замыкается в рамках системы гидросфера-атмосфера. Остальная часть поступает на поверхность суши, откуда, в конечном счёте, большей частью стекает обратно в океан.

 

3. Атмосфера.Воздушная оболочка, называемая атмосферой , (от греческого "атмос" — воздух и "сфера" — шар) окружает Землю со всех сторон, простираясь на высоту более 1000 км над поверхностью суши и океана. Резкой границы между атмосферой и космическим пространством нет: просто чем выше, тем воздух становится все разреженнее.

Основу атмосферы составляют азот, кислород, углекислый газ, водяной пар и др., а именно, – аэрозоли, пыль, солевые частицы. Газовый состав атмосферы формируется за счёт выделения газов из трёх основных источников:

вулканической деятельности;

биогенных процессов (жизнедеятельности организмов, разложения органического вещества);

техногенной деятельности.

По мере удаления от поверхности земли, атмосфера становится все более и более разреженной, постепенно переходя в межпланетное пространство. Выше 600 км атомы и молекулы движутся по эллиптическим орбитам в гравитационном поле Земли. Нижняя часть атмосферы, в которой конвекция происходит особенно интенсивно, называется тропосферой. Выше расположена стратосфера, а за ней – ионосфера.

В настоящее время газовый состав тропосферы (а в ней заключено более 90% массы атмосферы) следующий: N2 – 78,09%; O2 – 20,96%; Ar – 0,93%, CO2 – 0,03%, а также небольшие количества гелия, водорода, криптона, ксенона, озона. С одной стороны – состав атмосферы довольно прост: она почти целиком состоит всего из трех элементов – азота, кислорода и аргона. Другие элементы, хотя и присутствуют в атмосфере в незначительном количестве, тем не менее очень важны для ее геохимии (и биогеохимии). Двуокись углерода (углекислый газ), концентрация которой всего несколько сотых процента, необходима для жизни растений, являясь источником их питания. Озон, большая часть которого сосредоточена в пределах стратосферы, также играет жизненно важную роль, так как он задерживает ультрафиолетовое излучение Солнца. Если бы этого поглощения не происходило, избыточная ультрафиолетовая радиация на поверхности Земли была бы губительной для большинства форм жизни.

На протяжении истории Земли роль разных источников менялась. Менялся и состав атмосферы. Следовательно, содержание различных газов в атмосфере Земли – величина изменчивая, зависящая от множества факторов. Но изменения, происходящие естественным путём, протекают очень постепенно. Значительные отличия проявляются, как правило, по прошествии сотен тысяч или даже миллионов лет. Поэтому биота к таким изменениям в основном успевает приспособиться.

 

4. Органическое вещество.Органическое вещество в составе биосферы включает в себя два основных компонента: живое вещество и биогенное вещество – органические и органо-минеральные продукты, созданные живым веществом. Органическое вещество является одним из наиболее важных составляющих почвы. Живые существа могут состоять только из органических веществ, но органические вещества — совершенно не обязательно — живые.

Живое вещество. Живое вещество несравненно сложнее неживого — оно способно обмениваться веществом с окружающей средой и строить свой организм из поступающих внутрь веществ. Живые вещества способны размножаться — строить подобные себе организмы из поступающих в их организм веществ. Такими способностями не обладает неживое вещество. Живые существа не могут быть без обмена веществ. Ведь для того, чтобы живое существо строило само себя, внутрь этого вещества должно поступать то, что ему нужно, а вещества, которые уже стали ненужными для живого организма, должны выводиться из него наружу. Ясно, что там, где есть только твердые вещества, очень труден обмен веществ внутри организма. Поэтому на планетах без атмосферы и гидросферы невозможно представить себе жизни. Во-первых, живые существа все время обмениваются веществом с окружающей средой.

Распределение живого вещества на Земле крайне неравномерно, т.е. биосфера имеет мозаичную структуру, что будет рассмотрено отдельно. Жизнь стремится заполнить в максимальном объеме любое пригодное для нее пространство. Современными исследованиями установлено, что верхняя граница распространения живых организмов определяется губительным действием радиации. Низкие температуры верхних слоев тропосферы при этом оказывают защитное действие, так как жизнеспособность микроорганизмов сохраняется дольше при низких температурах. Так называемый аэропланктон в большей или меньшей степени населяет всю тропосферу. Вероятнее всего – верхним пределом распространения живого вещества является граница тропосферы и стратосферы. Точных данных о нижнем пределе распространения живого вещества до сих пор нет. Вероятнее всего, на суше нижний предел жизни находится на глубине примерно в 2-3 км (на этих глубинах обнаружены пурпурные тионово-кислые бактерии, использующие свободный кислород, выделяющийся при разложении воды нефтяных месторождений под влиянием излучения радиоактивных элементов. Кроме того, примерно на таких же глубинах обнаружены термофильные, существующие при температуре 104оС сульфатвосстанавливающие бактерии) Под океанами жизнь, вероятнее всего, распространена до глубины 0,5- 1 км от дна (А.С. Орлов и О.С. Безуглова, 2000)

Вы уже знаете, что cовременное вещество биомассы составляет лишь около 0,00001% массы земной коры. А общая продукция биомассы только за последний миллиард лет (по оценкам Базилевич и Розова) на порядок превосходит массу земной коры. Поэтому суммарное влияние деятельности живого вещества на состав биосферы за всё время её существования многократно выше, чем его количество.

Выявление состава любого организма, а тем более расчет среднего состава живого вещества представляет сложную задачу по многим причинам. Прежде всего, необходимо учитывать, что содержание основного компонента живых организмов – воды- варьирует в широких пределах. Например, в планктоне ее почти 99%, а в стволах деревьев – только 60%. Для того, чтобы исключить влияние сильно варьирующих количеств воды и привести содержания химических элементов в форму, удобную для сравнительного анализа, применяется расчет содержаний элементов на абсолютно сухое органическое вещество, т.е. высушенное до постоянной массы при температуре 102-105 оС. В этом случае получаются содержания химических элементов не в реальных живых организмах, а в их условной сухой биомассе.

В обезвоженном органическом веществе немногим менее половины составляет углерод. Другими главными компонентами являются кислород, водород и азот.

Известно, что биомасса – общее количество живого вещества в биосфере в целом или в какой-то её части. Подразделяется на фитомассу и зоомассу. Установлено, что доминирующую часть массы живого вещества Мировой суши (и всей планеты в целом) образуют высшие растения. То есть в любом ландшафте абсолютно преобладает фитомасса. Зоомасса обычно не превышает 1-2% от фитомассы, в редчайших случаях достигает 10%. В составе зоомассы беспозвоночные в 10-100 раз преобладают над позвоночными, травоядные – в сотни и тысячи раз над хищниками.

Масса живого вещества океана составляет менее 1% массы растительности Мировой суши. Особенность структуры живого вещества океана в том, что масса консументов превышает массу продуцентов – фотосинтезирующих организмов. По данным Е.А. Романкевича (1988) суммарная масса животных и бактерий Мирового океана близка к 4,5х109 т, а масса растений всего 3,5х109 т. Преобладающую часть массы продуцентов океана составляет фитопланктон.

Химический состав живого вещества суши и океана неодинаков. Живое вещество океана отличается более высоким содержанием воды (около 80%), азота и серы, а также значительно большим содержанием зольных элементов (40-50% от сухой биомассы). В растениях океана по сравнению с растительностью суши значительно выше концентрация почти всех главных зольных элементов, особенно натрия и магния, а также хлора и серы.

 

Литература

1. Вернадский В.И. Биосфера. М.: Мысль, 1967

2. Вернадский В.И. Живое вещество. М.: Наука, 1976

3. Вернадский В.И. Химическое строение биосферы Земли и ее окружения, М.: Наука, 1965

4. Биосфера: Сб./под ред. М.С. Гилярова. М.: Мир, 1972

5. Вернадский В.И. Очерки геохимии. М.: Наука, 1983

6. Каталог биосферы. М.: Мысль, 1991

7. Медоуз Д.Х., Медоуз Д.Л., Рандерс И. За пределами роста – М.: Прогресс Пангея, 1994

 

 

Тема:Энергетический и материальный баланс биосферы

Цель:сформировать у студентов понимание пути передачи вещества и энергии в экосистемах, умение охарактеризовать процесс фотосинтеза, владение информацией о круговороте веществ в природе

Поток энергии на земном шаре имеет три источника:

— кинетическая энергия оборота Земли и ее спутника Луны как космических тел. Она проявляется в морских приливах, энергия которых недоступна живым организмам, но может использоваться человеком;

— энергия земных недр, которая поддерживается ядерным распадом урана и тория. Эта энергия выделяется в форме геотермического тепла. В вулканических районах она используется для отопления оранжерей и бассейнов;

— солнечная энергия, на базе которой осуществляется жизнедеятельность в автотрофных организмов.

На Солнце энергия возникает в результате ядерных превращений. Главное из них — это превращение водорода в гелий через дейтерий. Лучистая энергия Солнца проявляется в амплитуде длины волн от 0,3 до 2,0 мкм. Доля ультрафиолетового излучения в ней невелика. Оно в основном задерживается озоновым экраном планеты. Приток энергии к наружной поверхности атмосферы планеты от Солнца сравнительно постоянный — это так называемая солнечная постоянная, равная 1,93 кал/см2 за 1 мин. Она отклоняется от среднего значения всего лишь на 0,1-0,2%. Но длительных наблюдений по величине солнечной постоянной пока не велось и ее многовековые тенденции не известны.

По неофициальным данным, специалисты считают, что в течение последнего миллиарда лет солнечная постоянная не менялась. Всего к Земле доходит 10,5 x10е кДж/м2 в год лучистой энергии. Но 40% сразу отражается в космическое пространство, а 15% поглощается атмосферой: превращается в тепло, либо расходуется на испарение воды. В атмосфере в основном солнечную радиацию поглощает водяной пар. В океанах эту роль выполняет жидкость (вода), на суше — горные породы и грунт. Большая часть радиации отражается в атмосферу от поверхности льда и снега.

Всю биосферу можно расценивать как единственное природное образование, поглощает энергию из космического пространства и направляет ее на внутреннюю работу. В биосфере энергия только переходит из одной формы в другую и рассеивается в виде тепла.

Основными преобразователями энергии в биосфере е живые организмы. Они превращают вольную лучистую энергию в химически связанную, которая затем переходит от одних биосферных структур к другим.

При каждом переходе часть энергии превращается в тепло и теряется в окружающем пространстве. Растения и земная поверхность в среднем в год поглощают 5х106 кДж/м2 энергии. Эта величина различна на разных широтах. Эффективность переноса энергии в живом веществе довольно низкая. При ее переносе от продуцентов до консументов первого порядка она составляет всего 10%, а при переносе от консументов первого порядка до консументов второго порядка — 20%.

Видно, что травоядные животные менее эффективно используют пищу, чем плотоядные. Это во многих случаях связано с химическим составом пищи. В растениях преобладают лигнин и целлюлоза и есть защитные вещества от фитофагов. Завершается поток энергии на редуценты, где энергия или же окончательно рассеивается в виде тепла, либо аккумулируется в мертвой органическом веществе (детрит). Одной из форм длительного сохранения аккумулированной энергии является нефть, уголь и торф.

Поток солнечной энергии, который поступает в биосферы, приводит в действие биохимический круговорот. Как отмечено, в отличие от круговоротов воды и других веществ, поток энергии движется в одном направлении. Если падающий поток солнечной энергии имеет радиальный (вертикальный) направление, то дальнейший его путь имеет преимущественно горизонтальный (латеральный) характер.

Большим энергетическим потенциалом отмечаются латеральные потоки воздушных масс (ветер), которые, проникая в лесные или луговые фитоценозы, расшатывают стволы и стебли, розворушують листовые пластинки или цветы, поднимают и переносят семена, охлаждают нагретый растительное среду, способствуя тем самым дальнейшей трансформации возбужденной механической энергии в тепловую или химическую. Латеральные снежные заносы способствуют накоплению влаги в полезащитных полосах и опушках лесных экосистем, что впоследствии повысит энергию биохимических процессов. Латеральные потоки энергии приливов способствуют более быстрому круговороту минеральных элементов питания, перемещению корма и отходов. Человечество научилось использовать дополнительную энергию природы, создав современные технологии возобновляемой энергии.

Радиальные и латеральные потоки энергии могут возникать и в результате антропогенной деятельности. Прежде всего это радиальные потоки химических, металлургических, горноперерабатывающая предприятий и тепловых электростанций, которые выносят в атмосферу огромное количество токсичных выбросов.

Далее они уже латеральными воздушными потоками (часто трансконтинентальными) переносятся на большие расстояния и опять таки радиальными потоками опускаются на земную поверхность. Эти потоки механической энергии является транспортом для химической энергии, которая проявляет себя в биологических процессах конкретных наземных и водных биогеоценозов.

Крупные города и индустриальные центры являются мощными источниками латеральных тепловых потоков, которые перемещаются от ядра города к его окраинам. Часто вместе с тепловыми потоками перемещаются латераля поллютантов, в основном автотранспортные выбросы, а также пыль. В крупных городах наблюдается рассеивание тепловой энергии (энтропия), которая ведет к ксерофилизации атмосферного и грунтового воздуха и алкализации (ощелачивание) городских почв. Эти латеральные тепловые и поллютантов-загрязняющие потоки энергии меняют растительный и животный мир природных ландшафтов, создают новую живом веществе городов, которая пока слабо изучена. Антропогенная энергия (механическая, тепловая, химическая) может концентрироваться в отдельных природных экосистемах, повышая их производительность (агроэкосистемы), или же, при неумелом включении этой энергии в естественный поток, приводить к их деградации.

Учитывая, что энергия — общий знаменатель и исходная движущая сила всех экосистем — как сконструированных человеком, так и природных, Ю. Одум (1986) предлагает принять энергию за основу для "первичной" классификации экосистем. Итак, по уровню поступления энергии в экосистеме их разделяют на четыре группы:

• природные, которыми движет Солнце;

• природные, которыми движут Солнце и другие природные источники;

• подвижные Солнцем и субсидируемые человеком;

• индустриально-городские, содержащихся топливом (добытым из полезных ископаемых, другими органическими или ядерными источниками).

Приведенные Ю. Одум примеры объясняют особенности функционирования этих систем, которые можно было бы отнести по иерархическому рангу к биогеоценотичних комплексов и даже биомов. В параметры биологической системы не укладывается индустриально-городская экосистема, которая является одной из разновидностей социально-экономических систем. Остановимся лишь на индустриально-городской экосистеме, которую Ю. Одум в одной работе называет "венцом" достижений человечества, в другой — его "опухолью". Города по мере роста цен на топливо, вероятно, станут больше интересоваться использованием солнечной энергии. Возможно, возникнет новый тип экосистемы города, какой будет двигать Солнце с вспомогательной энергией топлива.

 

Литература

1. Вернадский В.И. Биосфера. М.: Мысль, 1967

2. Вернадский В.И. Живое вещество. М.: Наука, 1976

3. Вернадский В.И. Химическое строение биосферы Земли и ее окружения, М.: Наука, 1965

4. Биосфера: Сб./под ред. М.С. Гилярова. М.: Мир, 1972

5. Вернадский В.И. Очерки геохимии. М.: Наука, 1983

6. Каталог биосферы. М.: Мысль, 1991

7. Медоуз Д.Х., Медоуз Д.Л., Рандерс И. За пределами роста – М.: Прогресс Пангея, 1994

 

 

Источник: studopedia.su

Свойства биосферы необходимые для возникновения и продолжения жизни

Что такое биосфера

  • Наличие CO2 и кислорода;
  • вода – источник жизни на земле, присутствие, как пресных водоемов, так и соленых;
  • регуляция температуры: отсутствие резких перепадов, сверхвысоких и низких показателей;
  • обеспечение всего живого продуктами питания;

До сих пор нет единого определения. Существует три версии, что такое биосфера:

  1. Общая масса всех живых существ, которые обитают в оболочках земли, является биосферой.
  2. Организмы и места их жизнедеятельности вместе составляют биосферу.
  3. Это следствие продолжительной жизни существ, обитавших задолго до наших дней.

Ученые-геологи считают правильной первую точку зрения, так как другие не имеют теоретического подкрепления.

Биосфера простилается по всей поверхности Земли (горы, поля, реки, моря, океаны) и создает условия для жизнедеятельности всех организмов. Человек также является составляющим звеном.

Границы

Где проходят границы биосферы
Границы биосферы в км

Чем определяются границы распространения биосферы?

Поскольку Живое — главная составляющая биосферы, ее границы определяются возможностью выживать отдельных индивидуумов в условиях окружающей среды. В верхних слоях ультрафиолетовое излечение не дает развиваться живым организмам – это определяет верхнюю границу биосферы. Высокие температуры в земных глубинах устанавливают нижнюю черту жизни.

Где проходят границы биосферы?

Атмосфера – воздушный слой земного шара, состоит из азота, кислорода, диоксида углерода и др. Она защищает Землю от перегрева, действия космической радиации, ультрафиолета, метеоритов. В составе атмосферы выделяют: тропосферу, стратосферу, ионосферу.

Тропосфера (озоновый слой земли) является верхней границей биосферы, находится на высоте 20 км.

Стратосфера – располагается на высоте 50 км над уровнем моря, воздух разжижается, нагревается, увеличивается концентрация озона, условия становятся непригодными для жизни.

Ионосфера – поверхностный слой атмосферы, поддается воздействию космического излучения, поэтому сильно ионизированный.

Литосфера – земная кора, твердый слой, который уходит на глубину 200км. К биосфере относится верхний шар, населенный живыми организмами. Нижняя граница по литосфере достигает 4км, глубина где были найдены бактерии. Опускаясь ниже, температура возрастает, достигая 100 градусов, что несовместимо с существованием живых организмов, происходит денатурация белка, все живое – гибнет.

Гидросфера – совокупность наземных и подземных вод. Это одна из оболочек нашей планеты, которая окружает материки и острова, составляет 70% поверхности земного шара. Нижняя граница биосферы расположена на глубине около 11 км. (в области Тихого океана).

Схема границ биосферы
Схема границ биосферы

Слои биосферы

Эубиосфера – основная прослойка биосфера. 99,9% живых существ постоянно населяют данный слой. Ширина эубиосферы 12-17км.

Парабиосфера, метабиосфера – соответственно верхний и нижний слои бисоферы, куда жизнь попадет случайно, заносится из эубиосферы.

Апобиосфера и абиосфера — самый верхний и самый нижний слои, куда жизнь не может попасть даже случайно.

В зависимости от среды обитания живых организмов выделяют:

  • Аэробиосферу (жизнь осуществляется за счет атмосферной влаги и солнечной энергии, от верхушек деревьев до стратосферы);
  • геобиосферу (организмы населяют почву, поверхность суши, деревья);
  • гидробиосферу (все водные структуры заселенные гидробионтами, исключая подземные воды).

Структура биосферы и ее состав

Живое вещество Вернадский описывал как общее число всех живых организмов населяющих планету в данный период времени.

Основные свойства:

  • В нем сосредоточено огромное количество энергии;
  • скорость течения реакций в живом организме быстрее, чем в искусственно созданных условиях;
  • составляющие живого вещества стабильны только в жизнеспособном организме;
  • возможность существовать в разных условиях, заполняя все пространство. Это явление Вернадский назвал «всюдностью жизни»;
  • отдельные особи всегда являются частью экосистемы;
  • живое вещество эволюционирует, приобретает новые свойства, адаптируется к изменчивости внешней среды.

Биогенное вещество – продукты жизнедеятельности живого. В процессе жизни организмы пропускают через себя многократно все составляющие биосферы, так образуются залежи нефти, газа, угля, торфа и др.

Косное вещество – формируется без участия живой материи (небиогенные горные породы, минералы).

Биокосное вещество – создается при взаимодействии живого и неживого (вода, приземная атмосфера, почва).

Структура и состав биосферы
Структура и состав биосферы

Живое вещество распределено не равномерно на просторах земли, ее концентрация увеличивается возле экваториальной плоскости, на полюсах планеты жизни мало.

Скопление живых организмов находятся на границах слоев биосферы: на дне океана – проходит граница между литосферой и гидросферой, в поверхностных водах Мирового океана – рубеж между гидросферой и атмосферой, на границе литосферы и атмосферы находится почва – место обитания микроорганизмов, насекомых, других животных. В этих местах создаются благоприятные условия для существования: высокая концентрация кислорода, доступ к солнечному свету, влага, питательные вещества.

Соотношение видов живых организмов показывает преобладание растительности, она занимает 99% от всего живого, животные – 1%, люди – 0,0002%.

Функции биосферы

Энергетическая – аккумуляция солнечного излучения в процессе фотосинтеза (переход энергии солнечного света с помощью пигментов растений в органические связи) и ее трансформация, с последующим распределением между всеми живыми организмами.

Газообразующая – поддержание стабильного газового состава атмосферы (выделение кислорода, поглощение диоксида углерода).

Концетрационная – сосредотачивают в теле химические вещества, образуя в дальнейшем полезные ископаемые.

Круговорот вещества в биосфере

Растения в процессе роста и развития используют минеральные вещества из почвы, адсорбируют воду с помощью корня, перерабатывают энергию Солнца, образуют органические вещества из неорганических, из атмосферного воздуха листьями поглощается диоксид углерода и выделяется кислород посредством фотосинтеза.

Животные и человек дышат кислородом, используют органические вещества образованные растениями. После смерти, скопление органических веществ растений и животных разлагается под действием микроорганизмов, и переходят в неорганическое состояние.

Процесс преобразования энергии и вещества начинается сначала – это и есть жизненный круговорот.

Источник: animals-world.ru


Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте, как обрабатываются ваши данные комментариев.