Влияние Солнца на экологические процессы на Земле. Биосфера. Геосферы Земли и их характеристики

1. Влияние Солнца на экологические процессы на Земле

Жизнь на Земле, возникновение биосферы стали возможны благодаря Солнцу. Солнце не только дает свет и тепло, но непрерывно и очень сложно воздействует на биосферу Земли.

Солнце испускает корпускулярное и электромагнитное излучения. Электромагнитные излучения – видимый свет, ультрафиолетовое, инфракрасное, рентгеновское, гамма-излучение, а также радиоизлучение – характеризуются длиной волны  и частотой f. Между частотой и длиной волны существует соотношение

, с= 300 000 км/с.

К верхней границе атмосферы Земли приходит солнечное электромагнитное излучение, суммарная энергия которого составляет 2 кал/мин на 1 см². Это есть солнечная постоянная, т.е. на Землю падает стабильный поток солнечной энергии. Часть энергии задерживается атмосферой, часть поглощается растительностью. Оставшаяся солнечная энергия (например, около 10% в пасмурный день в лесу) достается поверхностному слою Земли. В частотном диапазоне энергия на поверхности (в ясный день) распределяется так: 10% – ультрафиолетовое излучение, 45% – видимое и 45% – инфракрасное. При этом 46% энергии солнечного излучения на поверхности Земли превращается в тепло, 30% отражается от нее и уходит в космическое пространство, 23% расходуется на процессы фотосинтеза, т.е. поступает в биосферу.

Из всех элементов электромагнитного излучения для биосферы наиболее опасно ультрафиолетовое излучение, поскольку, воздействуя на живое на Земле, подвергает его опасности уничтожения. Биологическое действие ультрафиолетового излучения, обусловленое химическими изменениями поглощающих его молекул нуклеиновых кислот и белков, выражается в нарушениях деления, возникновении мутаций и гибели клеток. Задерживается ультрафиолетовое излучение слоем озона. В стратосфере озон (трехатомный кислород) образуется из кислорода. Распределение озона над поверхностью Земли неравномерно.

Кроме волнового излучения, на Землю поступает корпускулярное (корпускула – частица) излучение Солнца. Если электромагнитное излучение стабильно, то корпускулярное излучение очень изменчиво. Но от корпускулярного излучения сильно зависят процессы в биосфере. Энергия этих частиц возрастает с увеличением площади пятен на Солнце.

Земля защищена от воздействия корпускулярной радиации своим электромагнитным полем. Если у планеты нет электромагнитного поля, то существование атмосферы и жизни там не­возможно. Магнитное поле защищает биосферу Земли от потоков заряженных частиц, т.е. корпускулярной радиации. Если бы радиация достигла поверхности Земли, то она разложила бы все атомы и молекулы атмосферы на ионы и электроны, т.е. уничтожила бы ее. Магнитное поле Земли довольно стабильно и неизменно, что обеспечивает существования биосферы.

Важнейшим физико-биологическим процессом на Земле, поддерживающим жизнь, является фотосинтез – превращение зелеными растениями и фотосинтезирующими организмами лучистой энергии Солнца в энергию химических связей органических веществ. Световая энергия, поглощаемая зеленым пигментом (хлорофиллом) растений, поддерживает процесс их углеродного питания. В процессе фотосинтеза растения поглощают углекислый газ и выделяют кислород, а также поглощают тепло. Реакции, в которых поглощается световая энергия, называются эндотермическими (эндо – внутрь). Энергия солнечного света аккумулируется в форме энергии химических связей. Благодаря процессу фотосинтеза на Земле ежегодно образуется 150 млрд т органического вещества, усваивается 300 млрд т углекислого газа (СО₂) и выделяется около 200 млрд т свободного кислорода.

Наш дом – Земля, и стенами его является, образно говоря, электромагнитное поле Земли, потолком – атмосфера, крышей – озоновый слой.

2. Биосфера Земли

Биосфера, по определению В. И. Вернадского, – наружная оболочка (сфера) Земли, область распространения жизни (bios – жизнь). По последним данным, толщина биосферы 40...50 км. Она включает нижнюю часть атмосферы (до высоты 25...30 км, т.е. до озонового слоя), практически всю гидросферу (реки, моря и океаны) и верхнюю часть земной коры – литосферу (до глубины 3 км). Важнейшими компонентами биосферы являются: живое вещество (растения, животные и микроорганизмы); биогенное вещество (органические и органоминеральные продукты, созданные живыми организмами на протяжении геологической истории – каменный уголь, нефть, торф и др.); косное вещество (горные породы неорганического происхождения и вода); биокосное вещество (продукт синтеза живого и неживого, т. е. осадочные породы, почвы, илы).

Современное учение о биосфере создал великий ученый В.И. Вернадский. Он доказал, что все три оболочки Земли связаны с живым веществом, которое оказывает непрерывное воздействие на неживую природу.

Отличительная и определяющая особенность биосферы состоит в ее целостности и населенности жизнью. Живое вещество Земли представляет собой самую мощную силу в биосфере, материально и энергетически определяющую ее функции. В результате непрерывного взаимодействия (обмена) между компонентами биосферы под влиянием живого вещества изменяются как населяющие биосферу организмы, так и среда, в которой они живут. Благодаря живому веществу поддерживаются взаимосвязь и взаимообусловленность всех компонентов в биосфере. Эта многосторонняя и разнообразная связь определяет биосферу как гигантскую экологическую систему, в которой человек является, с одной стороны, биологической частицей всей системы, а с другой – активным ее преобразователем.

Неуправляемо возрастающая техническая и энергетическая вооруженность человека отрицательно влияет на сбалансированность процессов в биосфере. Поэтому сегодня глобальной задачей человечества является определение и осуществление допустимых пределов воздействия на биосферу в целях предотвращения экологической катастрофы.

Представление о жизни как о сплошной «пленке» живого вещества, покрывающего Землю, сформировал в XVIII в. Ламарк, а в 20-х годах ХХ в советский биохимик В.И. Вернадский предложил научное обоснование понятия биосферы.

Биосфера – гигантская экологическая система, в которой человек выступает и как ее частица и как ее преобразователь. Конечная цель человека – управление всеми процессами в биосфере, преобразование ее в ноосферу – сферу разума.

Основной особенностью живого существа является, кроме клеточной деятельности и передачи информации, способ использования энергии. Живые существа улавливают энергию космоса в виде солнечного света, удерживают ее в виде энергии сложных органических соединений (биомасса), передают ее друг другу и трансформируют в другие виды энергии (механическую, электрическую, тепловую). Неживые вещества преимущественно рассеивают энергию.

Живое вещество, биосфера, преобразует энергию Солнца в свободную энергию, способную совершать работу. Работа, производимая жизнью, состоит в переносе и перераспределении химических элементов в биосфере.

Все почвы и минералы поверхности (чернозем, глина, известняк, руда, месторождение углей и нефти) образовались под воздействием жизни.

Преобразование энергии в организмах основано на разнице температуры и других принципах. Живые существа следует рассматривать как химические машины, где химическая энергия преобразуется в другие виды энергии.

Другая особенность живых организмов – это их способность к самовоспроизведению. Итак, к особенностям функционирования живых существ относятся:

- способность к самовоспроизведению;

- способность образования полимерных оболочек, ограждающих живое вещество от косной среды;

- способность аккумулировать и передавать химическую энергию, а также осуществлять химические реакции в нормальных условиях температуры и давления без образования побочных продуктов. Жизнь на Земле идеально экологична.

В заключение остановимся на эволюции биосферы – самой большой экосистемы Земли. На первом этапе (примерно 3 млрд лет тому назад) происходило образование органического вещества в результате синтеза в абиотических процессах. Атмосфера Земли состояла из водорода, азота, окиси углерода, метана; содержала вредный для жизни хлор и пр., не содержала кислорода. Ультрафиолетовое излучение (озона тогда не было) вызвало химическую реакцию, в результате которой появились аминокислоты – сложные молекулы органических веществ. Сформировались анаэробные организмы, которые жили в воде.

В результате их деятельности через миллиард лет появился кислород, который частично превратился в озон и защитил Землю от ультрафиолетового излучения. Далее жизнь распространилась по суше, содержание кислорода в атмосфере достигло 3...4% – это было около 1 млрд лет назад. Вскоре содержание кислорода увеличилось до 8%, образовались многоклеточные организмы. Произошел взрыв жизни: появились водоросли, моллюски, кораллы. Началось связывание энергии путем фотосинтеза, резко возросло количество кислорода. Когда около 400 млн лет назад его количество достигло 20%, возникли крупные организмы. Были периоды (в конце палеозоя) увеличения количества углекислого газа и уменьшения кислорода (парниковый эффект).

Вероятно, жизнь, меняя только форму, сама создала для себя необходимые условия (в частности, атмосферный кислород). Биосфера представляет собой единый организм. В жизни природы, в Космосе не человек является главной целью мироздания. В мире нет человека и природы, нет человека и Космоса, человека и Вселенной. Есть природа, Космос, Вселенная, а человек – только их маленькая частица, единственная возможность для человека выжить – это подчиняться законам Вселенной