Характеристика биосферных процессов

Биосферные процессы во всех глобальных экосистемах возможны за счет потоков энергии. Живая оболочка планеты поглощает энергию Солнца и недр Земли. Энергия идет на образование биомассы и на дыхание живых организмов. Постоянный и преимущественный приток энергии биосфера получает от Солнца. К Земле приходит коротковолновое излучение (свет), а уходит от нее в космос длинноволновое тепловое излучение. Баланс этих энергий не соблюдается, планета излучает в космос меньше энергии, чем получает от Солнца. Разность энергий (доли процента) усваивает биосфера, и этого достаточно для поддержания жизни на планете.

Помимо потоков энергии постоянно происходит круговорот веществ -многократное участие веществ в процессах, протекающих в атмосфере, гидросфере и литосфере. Непрерывные химические превращения веществ необходимы для развития биосферы. Циклическая миграция веществ при энергетической подпитке от Солнца обеспечивает бесконечность жизни. При этом часть вещества биосферы (каменный уголь) консервируются в толще Земли и исключаются из круговорота веществ. Антропогенное вмешательство возвращает его в биосферный круговорот.

В настоящее время в чистом природном виде круговорот веществ не существует. Современный период развития мировой экономики связан с интенсификацией производства, приводящей к увеличению объемов используемых природных ресурсов. Это в свою очередь приводит к увеличению отходов производства и, как следствие, загрязнению биосферы. Такое хозяйствование создает экологические проблемы, многие из них уже имеют глобальный характер. Например, техногенные источники сильно изменили характер круговорота углерода в биосфере, накопив его в виде диоксида углерода в атмосфере в таком количестве, что это привело к потеплению климата из-за так называемого " парникового эффекта ". За сто лет средняя температура на поверхности Земли повысилась на 0,5 градуса, далее процесс потепления пойдет намного, прогнозируют последствия парникового эффекта в виде нового всемирного потопа. Чтобы обозначить пределы человеческого вмешательства, необходимо знать законы существования биосферы в их современном виде.

С момента образования биосферы все ее составные части находятся в постоянном и закономерном взаимообмене. Различают два основных круговорота:

¨ Большой (геологический)

¨ Малый (биохимический).

Большой круговорот длится миллионы лет. Горные породы подвергаются разрушению, продукты разрушения сносятся потоками воды в Мировой океан. Там они образуют донные напластования, используются в биохимических процессах водных организмов, частично возвращаются на сушу с осадками, извлеченными организмами. Границы геологического круговорота значительно шире границ биосферы, живые организмы в этом круговороте играют второстепенную роль.

Биологический круговорот обусловлен жизнедеятельностью организмов: рождение, питание, рост, размножение, развитие, выделение метаболитов, смерть, разложение, минерализация. Биологический круговорот происходит в границах биосферы и воплощает в себе уникальные свойства живого вещества. Малый круговорот осуществляется на уровне экосистемы, является частью большого круговорота. На протяжении сотен миллионов лет круговорот веществ в природе осуществлялся под действием биотических и абиотических факторов среды. Последние 100 лет все изменили, роль антропогенных факторов выросла до уровня биогеохимических, а в некоторых случаях эти факторы имеют глобальное значение, что приводит к изменению природных чистых биогеохимических циклов (круговоротов).

Круговорот воды. Постоянный перенос воды в масштабе планеты происходит за счет энергии Солнца. В процессе переноса агрегатное состояние воды изменяется, что позволяет поддерживать равновесие между суммарным испарением и выпадением осадков на планете. Испаряясь, вода с содержащимися в ней веществами переносится на многие километры воздушными потоками. Выпадая в виде осадков, вода способствует разрушению горных пород, делая их минералы доступными для растений и микроорганизмов, размывает верхний почвенный слой и уходит в моря и океаны. С поверхности Земли за 1 минуту испаряется около 1 млрд тонн воды и столько же выпадает обратно в виде осадков. Вода, доступная для живых организмов (проходящая через их тела) составляет сотую долю процента, но играет важную роль в функционировании экосистем. Вода способствует трансформации литосферы, обеспечивает связь живой и неживой материи, поддержание жизни земных организмов.

Круговорот углерода. Гораздо в большей степени зависит от деятельности живых организмов. Углерод в виде диоксида углерода из атмосферы ассимилируется наземными растениями и через фотосинтез включается в состав органических веществ. В процессе дыхания растений, животных и микроорганизмов углерод, содержащийся в организме, вновь переходит в атмосферу в виде диоксида. Эти два процесса практически уравновешены, лишь 1% углерода, усвоенного растениями, откладывается в виде торфа и на долгие тысячелетия удаляется из круговорота. Зеленые растения ежегодно извлекают из атмосферы до 300 млрд тонн диоксида углерода. Намного большее количество углерода содержится в растворенном виде в морях и океанах. Значительное количество углерода в связанном состоянии находится в литосфере и живых организмах. Углерод биосферы обменивается и обновляется живыми организмами за 395 лет.

Круговорот азота. Запасы азота в атмосфере и Мировом океане значительны, однако азот напрямую не может быть использован большинством живых организмов. В круговороте азота большую роль играют микроорганизмы (азотфиксаторы, нитрификаторы, денитрификаторы), которые переводят его в приспособленную для живых организмов форму. В основном фиксация азота происходит биологическим путем. Возвращение в атмосферу происходит вследствие денитрификации, которая происходит с участием бактерий и в ходе химических процессов. Круговорот азота в большинстве сообществ замкнутый, лишь небольшие количества его выносятся из наземных сообществ с водами. В масштабах биосферы этот процесс заметнее, реки выносят в океан около 30 млн тонн азота в год.

Круговорот кислорода. Планетарный процесс, связывающий атмосферу и гидросферу с земной корой. Звенья круговорота: образование свободного кислорода в процессе фотосинтеза, расход на дыхание живых организмов, протекание окисления органических и неорганических веществ. Химические преобразования способствуют окисленных соединений, диоксида углерода и воды, после чего эти вещества вновь вовлекаются в процесс круговорота. Весь кислород атмосферы проходит через живое вещество биосферы за 2 тысячи лет.

Возникает вопрос, почему энергия течет в одном направлении, а вещество находится в вечном круговороте, ведь в философском смысле материя неотделима от энергии? Солнечная энергия приходит на планету в виде света. Свет характеризуется корпускулярно-волновой двойственностью, то есть обладает и свойствами вещества. Принимая участие в биосферных процессах, энергия трансформируется и в конечном итоге принимает форму теплового излучения. Тепловая энергия далее не трансформируется, переходит в окружающую среду и навсегда покидает живую оболочку планеты.

Участие солнечной энергии в атмосферных процессах определяет совокупность климатообразующих процессов. Конкретные состояния климатических процессов в каждом месте и в каждый момент времени называется погодой. Постоянные изменения погодных условий служат главной причиной различных колебательных изменений в биосфере. Атмосфера нагревается неравномерно, это заставляет воздух постоянно перемешиваться. Воздушные массы соразмерны по площадям с материками и океанами, характеризуются каждая сравнительно однородными показателями (температура, влажность, давление). Распределение природно-климатических зон на земной поверхности определяется путями движения воздушных масс и скоростью их трансформирования.

Воздушные потоки в жизни биосферы играют огромную роль. Ими доставляются миллиарды тонн воды из океанов, увлажняющие сушу. Они же приносят весь необходимый для жизненных процессов йод и т.д. Огромную роль в динамике биосферы играют геокосмические ритмы, установлена связь земных процессов с солнечной активностью, меняющейся с периодичностью 11,5 года, достаточно изучено влияние луны. Наибольшее и резкое влияние оказывает на биосферу вмешательство человеческой деятельности. Антропогенная деятельность, в отличие от естественных экологических ритмов, оказывает не колебательные, а поступательные изменения природы, часто необратимые. И, тем не менее, биосфера характеризуется значительной устойчивостью.