Общие представления о геосферах Земли

Введение

Термином «экология» впервые в 1866 г. немецкий естествоиспытатель Э. Геккель назвал раздел биологии, изучающий взаимодействия организмов со средой их обитания. Среда обитания – природное окружение живого организма. Слово «экология» образовано от греческого «oikos» – дом. Экология – наука о доме. Для всех обитателей Земли «домом» является биосфера – уникальная оболочка нашей планеты, являющаяся областью распространения жизни на ней, глобальной экосистемой, представляющей собой сумму всех земных экосистем. Человек в биосфере является, с одной стороны, биологической частицей всей системы, а с другой – активным ее преобразователем. Человек – самое могущественное существо, способное изменить функционирование экосистем.

История человеческого общества – это история природопользования, т.е. использования природных ресурсов в целях повышения комфорта и благосостояния представителей вида homo sapiens (человек разумный). Долгое время в человеческом мышлении господствовала идея о безграничных возможностях человеческой цивилизации. В ХХ веке, человечество впервые столкнулось с глобальным кризисом из-за неразрешимого конфликта между homo sapiens и средой его обитания на планете Земля. Мир оказался на грани самой страшной рукотворной катастрофы – экологической. При этом надо отдавать отчёт в том, что гибель человека на Земле и даже гибель жизни на нашей планете в результате экологической катастрофы не противоречит ни одному из известных сегодня научных принципов.

Понятие «экологический кризис» впервые появилось в 1972 г. в докладе коллектива под руководством американского кибернетика Д. Медоуза в Римском клубе - авторитетной международной организации по изучению глобальных проблем современности. Авторы построили прогностическую модель мира, используя множество переменных факторов, и пришли к выводу, что при сохранении темпов роста экономики и роста народонаселения человечество придет к катастрофе и погибнет к 2100 г.

Главным итогом многолетней дискуссии, развернувшейся в учёном мире после вышеупомянутого доклада, стало признание факта наличия глобального кризиса при наличии разных точек зрения по вопросу прогнозирования модели дальнейшего развития цивилизации. Осознание человечеством экологического кризиса проявилось в признании следующих положений:

· Земля перестала быть неисчерпаемым источником сырья и энергии;

· планета перестала справляться с ролью всеобщего поглотителя отходов жизнедеятельности человечества;

· деградация биосферы Земли стала необратимой;

· экосистемы, сформировавшиеся за миллионы лет, становятся неустойчивыми на глобальном уровне под человеческим воздействием.

Осознание учёными наличия глобального кризиса привело к осознанию исключительной важности экологии, как научного направления. Экологию стали ставить в один ряд с биологией, физикой, химией. Но если включить в нее все разделы современного естествознания, то практически вся современная наука должна называться экологией. Поэтому правильнее говорить не о новой отрасли науки, а о сформировавшейся тенденции экологизации всей системы знаний. Неэкологическое мышление стало просто опасным для общества. Биосфера представляет собой единый организм, а человек – только его маленькая частица, и единственная возможность для человека выжить – это подчиняться законам Вселенной.

Главными причинами экологического кризиса являются два взрывоподобных процесса в ХХ в.: бурный рост народонаселения (демографический взрыв) и научно-техническая революция. Еще в начале ХХ в. человечество насчитывало около 1 млрд. чел., а к концу ХХ в. увеличилось в 6 раз (всего лишь за одно столетие!). Основным следствием хозяйственной деятельности человека служит нарушение им естественных экосистем. На нарушенных территориях идет распад остатков экосистем, не успевает восстанавливаться устойчивое состояние, идет непрерывный распад органического вещества, нарушен нормальный сбалансированный оборот биогенных веществ, что вынуждает затрачивать дополнительную энергию для его поддержания и для очистки окружающей среды. Научно-техническая революция в определенной мере связана с индустриализацией. Индустриализация – процесс создания крупного промышленного производства во всех отраслях народного хозяйства, ставший характерным для ХХ в. Именно крупные промышленные предприятия наряду с бурно возрастаюшим количеством средств транспорта наносят наиболее массированный вред окружающей среде.

К снижению вредных воздействий промышленности и транспорта на окружающую среду надо стремиться путём создания экологически безопасных технологий, систем, средств транспорта, машин, механизмов и установок. Эта задача, в первую очередь, инженерная. Из рассмотрения этой задачи вытекает определение предмета инженерной экологии. Под инженерной экологией будем понимать область знаний, изучающую воздействие промышленности и транспорта (от машины, установки, транспортного средства, предприятия до техносферы в целом) на окружающую среду и разработку инженерно-технических решений, обеспечивающих экологическую безопасность в техносфере.

Геосферы Земли и их характеристики

Общие представления о геосферах Земли

Земля представляет собой более или менее правильные концентрические слои, геосферы, чередующиеся в вертикальном разрезе планеты отличающиеся друг о друга характерными только для них физическими, химическими и биологическими свойствами.

В направлении от периферии к центру Земли различают атмосферу, гидросферу, литосферу (рис. 1.1).

 Рис. 1.1. Структура геосфер Земли

Атмосфера – газообразная оболочка Земли, состоящая из смеси различных газов и простирающаяся (условно) на высоту 100 км.

Основными газовыми компонентами атмосферы являются азот (78%), кислород (21%), аргон (0,9%) и углекислый газ (0,03%). Газовый состав атмосферы меняется с высотой.

Атмосфера имеет слоистое строение, которое включает ряд сфер и расположенные между ними паузы. Приведём их в порядке возрастания высоты над уровнем моря: тропосфера, тропопауза, стратосфера, стратопауза, мезосфера.

Наиболее плотный слой воздуха, прилегающий к земной поверхности, носит название тропосферы.Толщина её составляет: в средних широтах 10...12 км над уровнем моря и на полюсах 7...10 км, а на экваторе – 16...18 км.

Температура в тропосфере по высоте является стабильной и уменьшается на 0,6^оС на каждые 100 м в диапазоне от +40 до -50^оС. В тропосфере сосредоточены примерно 80% массы всей атмосферы и содержится до 80% всей влаги, имеющейся в атмосфере. В тропосфере образуются облака и формируются все виды осадков, которые являются очистителями воздуха от примесей.

Выше тропосферы расположена стратосфера, а между ними находится тропопауза. Толщина стратосферы составляет около 40 км, воздух в ней разряжен, влажность его невысока, при этом температура воздуха от границы тропосферы до высоты 30 км над уровнем моря постоянна (-50^°С),а затем она постепенно повышается до +10^ºС на высоте 50 км. Под воздействием космического излучения и коротковолновой части ультрафиолетового излучения Солнца молекулы газов в стратосфере ионизируются, в результате образуется озон. Озоновый слой, распространяющийся до высоты 40 км, играет очень большую роль, оберегая все живое на Земле от ультрафиолетового излучения.

Стратопауза отделяет стратосферу от лежащей выше мезосферы, в которой количество озона уменьшается, а температура на высоте примерно 80 км над уровнем моря составляет -70°С. Резкий перепад температур между стратосферой и мезосферой объясняется наличием озонового слоя.

Атмосферный воздух – важнейший природный ресурс. Его назначение заключается в следующем:

· снабжать людей, животных растительный мир жизненно необходимыми газовыми элементами (кислородом, углекислым газом);

· смягчать температурные перепады (воздух – плохой проводник тепла);

· защищать поверхность Земли от космического, радиационного и ультрафиолетового солнечного излучения;

· защищать Землю от метеоритов и прочих космических тел, подавляющая масса которых сгорает в атмосфере;

· обеспечивать производственные процессы кислородом, азотом, водородом и нейтральными газами.

Гидросфера – прерывистая водная оболочка Земли, располагающаяся между атмосферой и земной корой.. Она включает в себя совокупность всех вод планеты: материковых (глубинных, почвенных, поверхностных), океанических и атмосферных. Гидросфера является колыбелью жизни на нашей планете. Она играет огромную роль в формировании природной среды нашей планеты.

Вода на Земле присутствует во всех трех агрегатных состояниях, однако наибольший объем её приходится на жидкую фазу. Гидросфера Земли на 94% представлена солеными водами океанов и морей. Доля пресных вод в общем объеме гидросфере − менее 2,5%. При этом более 75% всей пресной воды законсервировано в полярных шапках Арктики и Антарктиды.

Вода– самое распространенное неорганическое соединение на планете. Она играет исключительную роль в процессах обмена веществ, составляющих основу жизни. Огромное значение вода имеет в промышленном и сельскохозяйственном производстве. Общеизвестна необходимость воды для бытовых потребностей человека, для существования всех растений и животных. Для многих живых существ она служит средой обитания.

Распределение водных масс в гидросфере Земли приведено в табл. 1.1.

Таблица 1.1

Распределение водных масс в гидросфере Земли

Общая площадь мирового океана в 2,5 раза превышает площадь суши и занимает около 71% земной поверхности.

Температура поверхности океанических вод колеблется от -2 до +30^о С, а соленость вод от -3,5 до 35 г/л. Растительность в океане распространена на глубине до 100 м., где прозрачности воды достаточно для нормального фотосинтеза, а животные обитают по всей толщине океана.

К водам суши относятся материковые воды, переносимые реками, воды сосредоточенные в озерах, болотах, ледниках, снежном покрове и заключенные в земной коре. Самая большая река мира – Амазонка, её сток составляет 16% стока всех рек мира. В её бассейне расположен самый большой лесной массив планеты. Планетарный резерв пресной воды высокого качества сосредоточен в озере Байкал, которое содержит пресной воды больше, чем все пресные озера мира. Территория Земли на 2% покрыта болотами. В России и Белоруссии расположено свыше 60% всех болот.

Ледники покрывают 16 млн. км² суши, основная их часть расположена в Антарктиде. Ели бы ледники растаяли, то уровень Мирового океана поднялся по сравнению с нынешним на 64 м.

Подземные воды (пресные, соленые и геотермальные воды, залегающие под почвой на разной глубине, часто образуя водоносные пласты) составляют наибольшую часть вод суши. Объем подземных пресных вод примерно в 100 раз больше объема поверхностных пресных вод озер, рек, болот и пр.

Биологическая вода - важнейшая составляющая живого вещества, на долю которой приходится в среднем 80% общей массы живых существ. Общий объем биологической воды оценивается около 1000км³. Необходимость воды для организмов очень велика. Например, человек за год потребляет около 10т воды, а на образование 1кг биомассы расходуется около 500кг воды.

Воды в атмосфере – это главным образом водяной пар или конденсат. Почти весь водяной пар (90%) сосредоточен в тропосфере. Если бы вся сосредоточенная в атмосфере влага сконденсировалась и выпала на Землю в виде осадков, то образовался бы слой воды толщиной в 25м.

Вода в природе находится в постоянной циркуляции под влиянием теплового излучения Солнца. Испаряясь с водных поверхностей, вода переходит в газообразное состояние и переносится воздушными течениями в различные районы планеты, где и выпадает в виде осадков. Таким образом, запасы воды сохраняются на земном шаре в процессе кругооборота. Особое место в кругообороте воды принадлежит ледникам, так как они сохраняют влагу в твердом состоянии очень длительное время. Попавший на ледник снег снова вступит в активный кругооборот воды спустя десяток тысяч лет. При циркуляции воды потери водяного пара с границ атмосферы в мировое пространство и поступление воды из земных недр практически не учитываются. Ученые пришли к выводу, что баланс воды на Земле постоянен.

Вода является универсальным растворителем химических элементов, в связи с чем в природе абсолютно чистой воды нет. По уровню содержания растворенных веществ вода делится на три класса: пресная, соленая и рассолы. Большую часть всех водных ресурсов (около 1,4 млрд. км³) составляет соленая вода, которая не может быть использована для питья и промышленных целей. Для непосредственного хозяйственного применения пригодна лишь сравнительно небольшая часть общих запасов воды − пресная. Кроме того, подавляющая часть пресной воды находится в местах или условиях, труднодоступных для человека. Поэтому при современных оценках водных ресурсов рассматривается обеспеченность пресными водами.

Вода оказывает существенное влияние на формирование климата и погоды, смягчая сильные температурные колебания, так как обладает высокой теплоемкостью и низкой теплопроводностью.

Литосфера − твердая оболочка Земли, толщина которой колеблется в пределах 50…200км. Суша на Земле занимает около 29% поверхности земного шара и включает ландшафты различной категории. Верхняя часть литосферы образует земную кору, толщина которой на континентах доходит до 50…75км, а под дном океанов − 5…10км, а нижняя − верхнюю часть мантии Земли. Граница между этими частями литосферы определяется по скачку в изменении скорости распространения продольных и поперечных упругих сейсмических волн (так называется граница Мохоровичича, или поверхность М).

Мантия Земли состоит, видимо, преимущественно из тяжелых минералов, богатых магнием и железом. С процессами, происходящими в верхней части мантии, тесно связаны тектонические движения, вулканизмы, горообразование и др.

Под мантией находится ядро, т.е. центральная часть Земли.

В таблице 1.2. приведены основные характеристики центральных геосфер Земли.

Таблица 1.2.

Основные характеристики центральных геосфер Земли.

Наиболее интенсивное техногенное воздействие на литосферу происходит в двух направлениях: изменение и гибель ландшафтов, а также загрязнение и деградация почв. Ландшафт − природный географический комплекс, в котором все основные компоненты (рельеф, климат, вода, растительность, животные) взаимосвязаны. Ландшафты непрерывно развиваются под действием антропогенных и природных факторов. Забота, ответственность за сохранность земной поверхности легли главным образом на одну из наук о Земле − инженерную геологию. Инженерная геология способна изучать последствия интенсивного воздействия человека на поверхностную часть литосферы, исследовать инженерно-геологические условия территории и предвидеть возможные перемены на земной поверхности и в недрах. Поэтому рациональное использование литосферы имеет в виду такое ведение хозяйственных мероприятий, которое в наименьшей степени будет влиять на окружающую природную среду территорий, различающихся по геологическим, климатическим, геоморфологическим условиям, и в то же время гарантировать сохранность и эффективную деятельность возведенных сооружений.

Уникальной оболочкой Землиявляется биосфера(греч. bios − жизнь, spharia − шар). Биосфера охвачена влиянием живого вещества. С современных позиций биосферу рассматривают как наиболее крупную, глобальную экосистему, поддерживающую планетарный круговорот веществ.

Суммарная масса живых организмов Земли оценивается примерно в 2,4*10¹²т. Верхняя граница жизни в атмосфере определяется уровнем ультрафиолетовой радиации, т.е. высотой расположения озонового экрана (25−30 км). Если живые организмы поднимаются выше защитного слоя озона, они погибают. Гидросфера полностью заселена живым веществом, однако наибольшая его концентрация наблюдается у поверхности и у дна. В биосферу входит только верхняя часть земной коры, причем нижняя граница биосферы имеет нечеткий, расплывчатый характер, поскольку распространенность живых организмов от границы литосферы с атмосферой и гидросферой в глубь Земли резко уменьшается. Основным же физическим фактором, определяющим границы деятельности микроорганизмов в земной коре, является температура. Подавляюще большинство микроорганизмов не выдерживает длительного пребывания при температуре, близкой к 100^°С, поэтому нижней границей биосферы считают ту глубину, где температура близка к 100^°С. В действительности же распространение жизни ограничено не только температурными условиями, но и другими факторами и не всегда достигает предела, обусловленного возрастанием температуры. Поэтому реальное положение нижней границы биосферы пока точно не определено.

Цивилизация, обладая мощным влиянием на биосферу, создала техносферу. Техносфера − часть биосферы, преобразованная людьми с помощью прямого и косвенного воздействия технических средств в целях наилучшего соответствия ее своим социально- экономическим потребностям. При этом выделяются два типа объектов: природно-антропогенные и антропогенные:

· природно-антропогенный объект − природный объект, измененный в результате хозяйственной и иной деятельности, и (или) объект, созданный человеком, обладающим свойствами природного объекта и имеющий рекреационное и защитное значение;

· антропогенный объект − объект, созданный человеком для обеспечения его социальных потребностей и не обладающий свойствами природных объектов.

Ведущим элементом преобразования биосферы в техносферу и в дальнейшем в ноосферу является инженерная экология. Ноосфера – сфера разума, высшая стадия развития биосферы, связанная с возникновением и развитием в ней человечества, когда разумная человеческая деятельность становится главным определяющим фактором глобального развития.