Меры по рационализации использования водных ресурсов

экономическое регулирование рационального использования и охраны ресурсов. Оно включает в себя:

- планирование и финансирование мероприятий по рациональному использованию и охране водных ресурсов;

- лицензирование пользования водными объектами;

- установление лимитов водопользования;

- установление нормативов платы за водопользование и водопотребление;

- установление нормативов платы за сбросы загрязняющих веществ в водные объекты;

- предоставление налоговых, кредитных и других льгот при использовании малоотходных и безотходных технологий;

- покрытие ущерба, нанесенного водным объектам.

20. Понятие о границах, структуре и компонентах биосферы согласно учению В.И. Вернадского и в соответствии с современными взглядами. Функции живого вещества биосферы.

Учение В.И. Вернадского о биосфере представляет собой обобщение естественнонаучных знаний, оно вобрало в себя эволюционные взгляды Ч. Дарвина, периодический закон Д.И. Менделеева, теорию единства пространства и времени А. Энштейна, идеи о неразрывной связи живой и неживой природы многих отечественных и зарубежных ученых.

В работах В.И. Вернадского рассматриваются компоненты биосферы, ее границы, функции живого вещества, эволюция биосферы.

Ученый впервые показал, что живая и неживая природа Земли тесно взаимодействуют и составляют единую систему.

Структура биосферы. В биосфере можно выделить следующие основные компоненты: живое вещество, косное (неживое) вещество, неживое биогенное вещество, биокосное вещество.

Живым веществом В.И. Вернадский назвал совокупность живых организмов, населяющих нашу планету. Это главная сила, преобразующая поверхность планеты, основа формирования и существования самой биосферы. Во все геологические эпохи живое вещество, преобразуя и аккумулируя солнечную энергию, влияло на химический состав земной коры, было мощной геохимической силой, формирующей лик Земли.

Живое вещество имеет количественные характеристики, его можно изучать, используя математические законы.

Количество живого вещества в биосфере (биомасса) - величина постоянная или мало изменяющаяся с течением времени. Во все геологические эпохи на Земле количество живого вещества было практически одинаковым. Ученый подчеркивал, что современное живое вещество генетически родственно живому веществу прошлых геологических эпох.

Под косным веществом В.И. Вернадский понимал такие вещества биосферы, в создании которых живые организмы не участвуют. Это, например, газы, твердые частицы и водяные пары, выбрасываемые вулканами, гейзерами.

Кроме живого и косного веществ, в состав биосферы входят:

неживое биогенное вещество, которое образовано живым веществом современной и прошлых геологических эпох (ископаемые остатки организмов, нефть, уголь, газы атмосферы, озерный ил - сапропель, осадочные породы, например, известняки);

биокосное вещество, которое создавалось одновременно и живыми организмами и косным веществом (например, почва, вода обитаемых водоемов, глинистые минералы).

Границы биосферы совпадают с границами распространения живых организмов в оболочках Земли, что определяется наличием условий существования жизни (благоприятный температурный режим, уровень радиации, достаточное количество воды, минеральных веществ, кислорода, углекислого газа). Биосфера охватывает всю поверхность суши, а также океаны, моря и ту часть недр Земли, где находятся породы, созданные в процессе жизнедеятельности живых организмов. Иначе говоря, биосфера - это часть литосферы, атмосферы, гидросферы, заселенная живым веществом.

Для существования живых организмов необходимы следующие условия: достаточное количество воды, минеральных веществ, оптимальный температурный режим, уровень радиации и др.

Верхняя граница биосферы определяется озоновым экраном, представляющим собой тонкий слой (2-4 мм) газа озона. Роль озонового слоя в биосфере велика: он задерживает губительные для живого ультрафиолетовые лучи солнечного света. Этот слой расположен на высотах 16 - 20 км.

Нижняя граница биосферы неровная. К примеру, в литосфере живые организмы или продукты их жизнедеятельности можно встретить на глубине 3,5-7,5 км, а в Мировом океане организмы - на глубине 10 - 11 км.

Нижняя граница на суше связана с областями "былых биосфер" - так В.И. Вернадский назвал сохранившиеся остатки биосфер прошлых геологических эпох (накопления осадочных пород, углей, горючих сланцев и др.). "Былые биосферы" служат доказательством длительной эволюции биосферы Земли.

Ученый отмечал, что живое вещество распределено в биосфере неравномерно. Основная его масса сконцентрирована в приповерхностном слое суши толщиной 50-100 м и в приповерхностной толще воды (10-20 м). Здесь находится более 90% биомассы Земли. Но и в приповерхностном слое имеются пространства, густо заселенные живыми организмами (тропики и субтропики, теплые моря), и менее заселенные территории (пустыни, высокогорья, арктические и антарктические области). Для остальных территорий биосферы характерно, по словам В.И. Вернадского, "разрежение живого вещества".

Тем не менее, в пределах биосферы нет абсолютно безжизненных пространств. Даже в самых суровых условиях обитания можно найти бактерии и другие микроорганизмы. В.И. Вернадский высказал идею о "всюдности жизни", живое вещество способно "растекаться" по поверхности планеты; оно с огромной скоростью захватывает все незанятые участки биосферы, что обусловливает "давление жизни" на неживую природу.

Функции живого вещества. Одна из основных заслуг В.И. Вернадского состоит в том, что он впервые обратил внимание на роль живых организмов как мощного геологического фактора, на то, что живое вещество выполняет в биосфере различные биогеохимические функции. Благодаря этому обеспечиваются круговорот веществ и превращение энергии и, в итоге, целостность, постоянство биосферы, ее устойчивое существование. Важнейшими функциями являются энергетическая, газовая, окислительно-восстановительная, концентрационная.

Энергетическая функция заключается в накоплении и преобразовании растениями энергии Солнца (бактерии-хемоавтотрофы преобразуют энергию химических связей) и передаче ее по пищевым цепям: от продуцентов - к консументам и, далее, - к редуцентам. При этом энергия постепенно рассеивается, но часть ее вместе с остатками организмов переходит в ископаемое состояние, "консервируется" в земной коре, образуя запасы нефти, угля и др.

В осуществлении газовой функции ведущая роль принадлежит зеленым растениям, которые в процессе фотосинтеза поглощают углекислый газ и выделяют в атмосферу кислород. В то же время, большинство живых организмов (и растения в том числе) в процессе дыхания используют кислород, выделяя в атмосферу углекислый газ. Таким образом, участвуя в обменных процессах, живое вещество поддерживает на определенном уровне газовый состав атмосферы.

Окислительно-восстановительная функция тесно связана с энергетической. Существуют микроорганизмы, которые в процессе жизнедеятельности окисляют или восстанавливают различные соединения, получая при этом энергию для жизненных процессов. Велико их значение для образования многих полезных ископаемых. Например, деятельность железобактерий по окислению железа привела к образованию таких осадочных пород как железные руды; серобактерии, восстанавливая сульфаты, образовали месторождения серы.

Концентрационная функция заключается в способности живых организмов накапливать различные химические элементы. Например, осоки и хвощи содержат много кремния, морская капуста и щавель - йод и кальций. В скелетах позвоночных животных содержится большое количество фосфора, кальция, магния. Осуществление данной функции способствовало образованию залежей известняка, мела, торфа, угля, нефти.

Эволюция биосферы. В.И. Вернадский в своих работах подчеркивал, что история возникновения и эволюция биосферы - это история возникновения жизни на Земле. Развитие биосферы идет вместе с эволюцией органического мира - изменяется состав ее компонентов, расширяются границы и т. д.

Живое вещество эволюционирует в сторону усложнения уровня организации, уменьшения прямой зависимости от среды обитания, усовершенствования способов ориентации и передвижения в пространстве.

Перенеся идеи физики о неразрывности пространства и времени на явления природы, В.И. Вернадский объяснил направленность эволюции биосферы: она ограничена пространством, что определяется телом планеты, и направлена в сторону прогрессивного развития, так как необходимо приобрести свойства, которые позволят это ограниченное пространство использовать по возможности максимально.

Особое внимание в своих трудах ученый уделял возрастающему влиянию человека на ход эволюции биосферы. Вернадский подчеркивал, что человек разумный - невиданная по своим масштабам геохимическая сила, которая увеличивает свое влияние по мере развития научной мысли. Еще в 20-х годах прошлого века ученый сумел предугадать многие тенденции воздействия человека на природу. Его теоретические положения о биосфере и месте в ней человека - блестящий пример научного обобщения.

Основные функции и свойства биосферы.

Функции:

· Энергетическая

· Средообразующая

· Концентрационная

Свойства Б:

1 Б – централизованная система. Центральное звено – живые организмы. В настоящее время в центре биосферы ставится только человек (антропоцентризм).

2 Б – открытая система. Ее существование невозможно без поступления энергии извне. Испытывает воздействие космических сил. Многие процессы на Земле связаны с солнечной активностью.

3 Б – саморегулирующаяся система, для которой характерна организованность. В настоящее время это свойство – гомеостаз.

4 Б – система, характеризующаяся большим разнообразием. Разнообразие – важное свойство всех экосистем. Б – максимальное количество разнообразия.

Компоненты биосферы. Свойства и функции живого вещества биосферы.

Современное состояние учения о биосфере.

Современные представления о структуре биосферы.

Биосфера в настоящее время представляет собой мегабиосферу:

· апобиосфера (не содержит кислород),

· парабиосфера (область временного проникновения организмов – спор и пыльцы),

· эубиосфера (арена современной жизни),

· метабиосфера ().

Компоненты биосферы согласно взглядам М.М. Камшилова.

Функции живого вещества биосферы.

· Газовые

· Концентрационные

· Окислительно-восстановительные

· Биохимические

· Биохимическая функция человека

21. Геохимические барьеры. Их роль в процессах транспортировки и концентрации веществ в биосфере. Основные формы нахождения химических элементов в биосфере.

Давайте несколько подробнее рассмотрим особенности и геохимическую роль каждого вида миграции, а также действие некоторых геохимических барьеров, которые способствуют замедлению миграции и концентрации элементов.

Механическая миграция, как Вы уже знаете, происходит без изменений химического состава и физического состояния вещества. Процессы механической миграции включают два аспекта:

1. Перемещение масс газообразных (атмосфера, вулканические газы), жидких (наземные и подземные воды, магматические расплавы) и твёрдых (движение ледников, горнопородных масс и грунтов на склонах, блоков литосферы в тектонических процессах).

2. Миграция взвесей в газовых, жидких и твёрдых (ледники) средах. Это процесс циклический; он включает:

o механическую дезинтеграцию горных пород и минералов;

o механический перенос дезинтегрированного минерального вещества;

o механическую дифференциацию в процессе переноса;

o накопление перемещённых частиц.

Дезинтеграция – результат физического (температурного) выветривания. Наиболее интенсивна при максимальном контрасте дневных и ночных температур (горные области, районы без растительности – т.к. наличие растительного покрова, особенно лесной растительности, сглаживает температурные контрасты). В холодном климате дополняется морозным выветриванием.

Перенос осуществляется различными агентами: ветром, текучими водами, ледниками, иногда непосредственно под действием гравитации (на склонах). В наибольших масштабах осуществляется текучими водами, в меньшей мере – ветром. В высокогорных и полярных районах в современную эпоху большую роль играет ледниковый перенос. Все реки мира ежегодно поставляют в океан 15-16 млрд. т наносов (оценка масштабов переноса). Это только итоговый результат, массы переносимого и переотлагаемого материала внутри континентов не менее значительны.

В конечном счёте все виды переноса, кроме эолового – это прямой результат действия гравитационных сил. Поэтому Ферсман назвал механогенез «областью геохимического влияния силы тяжести».

Механическая дифференциация осуществляется благодаря непостоянству скоростей движения водных и воздушных потоков, переносящих частицы твёрдого вещества. Способность потока переносить частицы определённой массы определяется энергией потока. Она прямо пропорциональна массе воды и квадрату скорости течения. Поэтому зависимость процесса от скорости потока очень велика, и даже небольшие горные реки могут переносить крупную гальку и валуны.

При снижении скорости происходит механическое разделение частиц - крупные обломки остаются на дне, более мелкие переносятся дальше. Сначала происходит в основном разделение по размеру, но когда дело доходит до разделения песчаной фракции достаточно существенную роль начинает играть удельный вес минеральных частиц. Частицы близкого размера, но с разным удельным весом выпадают в осадок неодновременно. Так как минералы имеют и различный химический состав, результатом механической дифференциации оказывается и определённое различие в химизме. Это ещё и механизм формирования россыпных месторождений.

Другие причины возникновения различий в химическом составе при механическом водном переносе:

· Дифференциация по механической устойчивости: прогрессирующее механическое разрушение (истирание) менее устойчивых минералов в процессе переноса, и как следствие – более дальний перенос их более мелких частиц;

· Отделение минерального вещества, проходившего стадию химического выветривания (и, соответственно, химически изменённого) от продуктов чисто механического выветривания. Связано с тем, что частицы вещества, образующегося при процессах химического выветривания, относятся к наиболее мелкой фракции и накапливаются большей частью в глинистых осадках.

Коэффициенты концентрации элементов в глинах относительно песков очень различны. Co – 63, Ni – 34, As – 13, U – 8, Fe – 4,8, Al – 3,2, W – 1,1, Zr – 0,7, TR – 0,6, Si – 0,5.

При эоловом (ветровом) переносе дифференциация в большей мере механическая, но разделение песчаной и глинистой фракций тоже возможно.

В атмосфере обычными объектами механического переноса являются пыль, песок и соли. Песок переносится только на небольших высотах (первые метры). Пыль и микрочастицы соли – значительно выше, но основной объём тоже ограничен тропосферным переносом. Источники солей – как высохшие соляные озёра и солончаки, так и акватории соляных озёр и морей (испарение мелких брызг солёной воды, после чего частицы соли остаются в атмосфере). В условиях непромывного режима почв и грунтов соли, поступающие из атмосферы, могут в них накапливаться. Масштабы процесса могут быть очень значительны (пример – великая «соляная буря» на западе США в 1933 г.).

Другой пример – эоловый перенос вулканического пепла, представляющего собой глубинный материал, с иными концентрациями микроэлементов, чем в образованиях верхней части земной коры. Этот процесс оказывает прямое влияние на содержание этих микроэлементов в почвах и является природным механизмом повышения их плодородия.

Третий пример – разнос мелких частиц, образующихся в результате разрушения крупных метеоритов (иридиевые аномалии). Возможно влияние заражения атмосферы и почв космогенными токсикантами на вымирание некоторых видов живых организмов в геологическом прошлом.

Специфика переноса в твёрдых средах (ледникового) – это малые скорости процесса и полное отсутствие дифференциации вещества.

При механической миграции действуют геохимические барьеры:

· аэродинамический;

· гидродинамический;

· фильтрационный.

Физико-химическая миграция. Глубинные (эндогенные) процессы Прямого влияния на миграцию элементов в биосфере глубинные процессы, как правило, не оказывают (исключение составляют лишь области современного вулканизма). Но все глубинные процессы вносят очень большой вклад в формирование геохимической неоднородности литосферы, которая является неотьемлемой составной частью биосферы. Поэтому, чтобы получить представление о механизме формирования таких неоднородностей, надо хотя бы вкратце рассмотреть наиболее важные из эндогенных процессов.

Самый значительный вклад в создание геохимических неоднородностей в литосфере вносят две группы эндогенных процессов: магматические и гидротермальные.

Водная миграция. Водный перенос является ведущим для подавляющего большинства элементов в условиях биосферы. При этом именно вода, находясь в обратимых взаимоотношениях с горными породами, организмами, атмосферой обеспечивает интенсивное взаимодействие между всеми компонентами ландшафта (являясь «кровью ландшафта» по А.И. Перельману).

Масштабы водного переноса связаны с растворимостью химических соединений. Интенсивность процесса для каждого элемента определяется коэффициентом его водной миграции. Вынос элементов при этом происходит в зонах активной циркуляции проточных вод, а накопление – в конечных бассейнах стока (озёрные котловины, мировой океан). Надо иметь в виду, что для разных элементов в составе одного и того же растворимого соединения значения коэффициента могут быть очень различны. Пример – NaCl. В растворённой форме всегда будут переноситься эквивалентные количества катионов и анионов. Но если для Cl^- доля такой миграции будет весьма существенной по отношению к общему количеству его в ландшафте, то её удельный вес в миграции Na⁺ может значимой величиной не выражаться, так как кларк Na на два порядка выше.

Миграция ряда элементов имеет в значительной мере циклический характер. Они не только поступают с речными водами в океан, но и частично возвращаются из океана в атмосферу, а затем с атмосферными осадками возвращаются на сушу. Это, помимо самих О и Н – Cl, S, Na, Li, B, J и др.

Как Вы помните, в классификации А.Е. Перельмана (по особенностям миграции в гипергенных обстановках) водные мигранты подразделяются двояко: по степени подвижности и кроме того на катионогенные и анионогенные элементы. Подвижность определяется коэффициентом водной миграции (отношение содержания химического элемента в минеральном остатке воды к его содержанию во вмещающих породах).

K_X = (M_X/an_x)100,

где M_X – содержание элемента в воде, а – минерализация воды,
n_x- содержание элемента во вмещающей породе.

Дополнительные характеристики – постоянная или переменная валентность, подвижность или же способность осаждаться при различном типе химизма среды, интенсивность миграции в растворах с различными щелочно-кислотными условиями, интенсивность миграции с органическими комплексами. В дополнение ко всему элементы независимо от других признаков подразделяются по роли биогенного накопления в их миграции (существенная или несущественная).

Важнейшие геохимические барьеры при физико-химической миграции:

Окислительный барьер (резкое увеличение Eh) – накопление Fe, Mn, Co, S.

Восстановительные (сероводородный, глеевый – приток кислых вод в соответствующую среду) – накопление Cu, Au, Ag, S, Se, U, Mo.

Кислотные и щелочные – возникают на границах различных горизонтов.

Испарительный барьер

Сорбционные барьеры

Термодинамический барьер

В условиях встречного движения вод возникают двусторонние барьеры.

Возникновение барьеров может быть связано также с резкими изменениями температур, давлений и др. параметров.

Взаимодействие водной среды с атмосферой:

· испарение воды, поступление в атмосферу солевых частиц, аэрозольных взвесей с поверхности водоёмов;

· растворение газов, осаждение в воду атмосферной пыли и аэрозолей.

Взаимодействие гидросферы и атмосферы с литосферой:

1. Химическое выветривание. Реакции гидратации, окисления, карбонатизации.

Разложение алюмосиликатов и образование глинистых минералов.

Разложение Fe-содержащих силикатов приводит к образованию гидрооксидных соединений железа – Fe (OH)₃, FeOOH и др., присутствие которых придаёт выветрелому веществу бурую окраску, очень распространённую в условиях нашего умеренно влажного климата (пример столбовских сиенитов, которые буреют на выветрелой поверхности).

В аридном климате существенную роль играет карбонатизация.

Во влажном и жарком климате (экваториальном) химическое выветривание заходит наиболее далеко, до полного разложения алюмосиликатов на простые гидрооксиды (латеритные почвы).

2. Переход части минерального вещества в растворимые формы – и, соответственно, в водную среду.

3. Химическое осаждение растворённого минерального вещества, его возврат в литосферу.

4. Взаимодействие вещества, осаждаемого из грунтовых вод, с дезинтегрированным рыхлым материалом верхних уровней литосферы (почвы, кор выветривания, рыхлых осадков) ® цементация. Образуются «уплотнённые» горизонты внутри почв и осадков (кремнистые, железистые, известковистые, огипсованные). В конечном счёте такой механизм приводит к формированию из рыхлых осадков осадочных горных пород.

Биогенная миграция. Взаимодействие между живым веществом и инертной материей Земли происходит в форме массообмена химических элементов между живыми организмами и окружающей средой. Именно процессы массобмена элементов объективно характеризуют геохимическую деятельность организмов. Подобные закономерные процессы миграции химических элементов, осуществляемые не под воздействием геологических факторов, а в результате жизнедеятельности организмов были названы В.И. Вернадским биогеохимическими.

Изучение закономерностей биогенной миграции химических элементов понимание планетарной (геологической) роли жизнедеятельности живых организмов стало возможным благодаря введению понятия «живого вещества». Пока наука XIX в. концентрировала всё внимание на изучении жизнедеятельности отдельных организмов, всё живое представлялось ничтожным по сравнению с могучими силами неживой природы. Считалось, что удел жизни – только приспосабливаться к тем условиям, которые создаются в природе физическими и химическими процессами, которым безоговорочно приписывалось ведущее значение.

Подвижность химических элементов в процессах, где ведущая роль принадлежит биогенной миграции, зависит как от формы нахождения этих элементов, так и от той роли, которую они выполняют в живых организмах. Растительные и животные организмы удерживают в своих тканях миллиарды тонн минеральных веществ. Чем больше биогенное значение химического элемента, тем в большей степени он захватывается живыми организмами и, следовательно, оказывается защищенным от выноса из почв грунтовыми и речными водами.

Подробнее некоторые особенности биогенной миграции, вопросы о геохимической роли живого вещества, общего биологического круговорота элементов и циклов отдельных элементов мы рассмотрим в следующей лекции

Техногенная миграция. С появлением человека и развитием человеческого общества появляется новый и самый сложный вид миграции химических элементов – техногенная миграция. Особенно быстро её роль возрастает последние два столетия (с начала промышленной революции). При этом многократно возрастает влияние техногенеза на природные процессы, техногенная нагрузка на природные системы, вплоть до биосферы в целом. Биосфера трансформируется и переходит в новое качество. В то же время люди до сих пор плохо знают законы, которым подчиняется техногенная миграция, механизмы влияния этих процессов на природные системы. Лишь в начале ХХ в. эти вопросы были поставлены В.И. Вернадским, и им же заложены концептуальные подходы к решению данного круга проблем. Но систематические исследования начались (и у нас, и за рубежом) только с 50-х годов ХХ в.

Концептуальная основа – идея перехода биосферы в качественно новое состояние: ноосферу (сферу разума). Подробнее этот вопрос мы рассмотрим, завершая этот курс.

Для характеристики техногенной миграции и связанного с нею распределения химических элементов на земной поверхности используются понятия:

1. Техногенные ореолы рассеяния.

2. Техногенные аномалии (выделяются в депонирующих, т.е. накапливающих средах и могут соответствовать ореолам рассеяния). Могут быть не только вредными, но и полезными. Например, те, которые являются результатом известкования кислых почв, что улучшает агрохимические свойства. Практикуется также непосредственное внесение дефицитных минеральных компонентов не в среду, а непосредственно в пищу животных и человека (пищевые добавки).

3. Техногенные потоки рассеяния (выделяются в транзитных средах – водах, воздухе, донных осадках водотоков).

4. Техногенные зоны выщелачивания. В большинстве связаны с выщелачиванием элементов из отвалов горнодобывающих предприятий. В этих случаях с ними могут быть связаны техногенные потоки рассеяния и ореолы загрязнения в сопряжённых ландшафтах, где выщелоченные компоненты будут накапливаться. Нередко выщелачивание применяется искусственно как технология извлечения минерального компонента из руд.

5. Техногенные геохимические барьеры. Понятие двоякого употребления, что не очень удобно. С одной стороны – так называют природные барьеры, на которых концентрируются элементы, попавшие в ландшафт в результате техногенной миграции. С другой – искусственно создаваемые барьеры для локализации загрязнения. Например, известковые валы, служащие для осаждения элементов, переносимых кислыми водами. Или искусственные сорбционные барьеры.

В общем виде эти процессы сводятся к изъятию элементов из одних ландшафтно-геохимических систем, их переносу и поступлению в другие ландшафтно-геохимические системы, включая и накопление в последних. Для этих процессов, как и собственно в биосфере, используется, главным образом, преобразованная солнечная энергия, причём формы её использования более разнообразны. Широко используется в том числе и солнечная энергия, аккумулированная в прошлые геологические эпохи (горючие полезные ископаемые). Используются и эндогенные источники энергии, в том числе и энергия радиоактивного распада, использование которой в таких масштабах чуждо биосфере и возможные последствия её применения ясны ещё далеко не в полной мере.

Выделяется два геохимических типа процессов техногенной миграции.

1. Миграция, унаследованная от биосферы, но техногенно изменённая. Это процессы, связанные с биологическим круговоротом, водной и воздушной миграцией элементов. Для их характеристики можно использовать те же понятия, которые разработаны применительно к процессам биогенной и физико-химической миграции.

2. Собственно техногенная миграция в формах, чуждых биосфере. Производство веществ, не существующих в природе, использование атомной энергии, перемещения вещества, подчиняющиеся социальным законам. Здесь требуется новый понятийный аппарат, который сейчас находится в стадии разработки.

Один из важнейших геохимических показателей техногенеза – технофильность химических элементов. Это отношение ежегодной добычи или производства элемента (в тоннах) к его кларку в литосфере. Таким образом, эта величина характеризует относительные масштабы извлечения элементы из природных сред в целях его промышленного использования человеком. При этом не учитываются параметры обратного выхода этих элементов из техногенного оборота, что делает показатель не вполне совершенным. То есть, в отличие от биофильности, этот показатель не является точным отражением концентрации элемента в продуктах техногенеза. (Ещё Вернадский отмечал, что абсолютная тенденция к концентрации на современном этапе ноосферогенеза характерна только для золота, остальные элементы в конечном счёте попадают в отходы производственной и бытовой деятельности и рассеиваются). Вторая особенность – динамичность показателя. В древности использовалось 18 элементов, в 18 веке – 28, к началу ХХ – около 70, а сейчас в техногенез вовлечены все известные элементы, плюс некоторые созданные искусственно элементы и изотопы. Развитие экономики и технологий приводит к постоянному изменению соотношения технофильности различных элементов. Сейчас наибольшая величина технофильности свойственна углероду, что характеризует интенсивность использования горючих полезных ископаемых. Высокие показатели – для фосфора, золота, свинца, цинка, меди… С другой стороны, низки величины технофильности для таких распространённых элементов, как магний, титан, и особенно – кремний. По существу это характеризует низкую степень использования этих элементов в техногенезе, что со временем, вероятно, изменится. Для кремния время этих изменений уже наступает в связи с началом внедрения керамики в качестве замены металлам и пластмассам (здесь лидирует Япония). В целом по мере развития науки и техники всё большей становится регулирующая роль кларка, так как богатые месторождения истощаются и со временем, видимо, человечество вынуждено будет перейти к извлечению элементов из пород, где их содержания ненамного отличаются от кларковых.

Установлено, что существуют циклы миграции: геохимические и биологические. Вопросы цикличности в техногенных процессах пока целенаправленно не изучались.

Круговороты химических элементов:

· геохимический круговорот является составной частью геологического круговорота вещества – большой круговорот (рис. 2.3.1).

· Биологический круговорот (БИК) связан с жизнедеятельностью организмов: питание и выделение, трофические цепочки, жизненный цикл) – малый круговорот (рис. 2.3.2) Далее, Вы узнаете, что БИК относительно замкнут лишь в пределах конкретных ландшафтов и биосферы в целом, но он не является полностью замкнутым, т.к. происходит перемещение вещества между ландшафтами, полное выведение части вещества из малого оборота в пределах географической оболочки как результат процессов осадконакопления – но сохранение его в большом круговороте;

Рис. 2.3.1 Схема геохимического (большого) круговорота

Рис. 2.3.2. Общая схема биологического круговорота (БИК)

Абиогенные циклы сложились на нашей планете значительно ранее биогенных. Они включают весь комплекс геологических, геохимических, гидрологических, атмосферных процессов.

Абиогенный геохимический круговорот включает накопление, удержание и перераспределение космической энергии Солнца на планете через нагревание водных масс, образование и конденсацию паров, выпадение атмосферных осадков и движение поверхностных и грунтовых вод по уклону от областей питания к областям испарения. Неравномерное нагревание воздуха и воды вызывает планетарные перемещения водных и воздушных масс, формирование градиентов плотности и давления, океанические течения и грандиозные процессы атмосферной циркуляции.

Эрозия, химическая денудация, транспортировка, перераспределение и накопление механических и химических осадков на суше и в океане.

В добиогенных геохимических круговоротах определяющая роль принадлежала водной и воздушной миграции и аккумуляции. На следующих лекциях мы более подробно остановимся на особенностях биогенной миграции элементов, рассмотрим основные геохимические функции живого вещества и особенности биологического круговорота вещества, а также познакомимся с циклами некоторых, наиболее важных для функционирования биосферы, химических элементов.

22. Устойчивость и гомеостаз биосферы. Механизмы регуляции гомеостаза. Факторы, обеспечивающие устойчивость биосферы.

Устойчивость биосферы. Биосфера как саморегулирующаяся система обладает устойчивым динамическим равновесием, т. е. гомеостазом.

Как открытая система биосфера только тогда устойчива, когда имеет достаточное внутреннее разнообразие. Ее разнообразие проявляется в неоднородности климатических зон, сложном рельефе Земли, многообразии биогеоценозов и видов организмов.

Устойчивость биосферы обусловливается одновременно постоянством и изменчивостью живого вещества и его окружения. Согласно палеонтологическим данным, живое вещество существует на Земле около 3,8 млрд лет, что свидетельствует об устойчивости (гомеостазе) биосферы.

Особенности биологического круговорота в биосфере. Потоки энергии не могут быть повторно использованы на Земле, так как в конечном итоге все виды энергии превращаются в тепловую энергию и уходят в космическое пространство.

Земля, в силу своих размеров, не способна удерживать гравитационными силами только водород и гелий. Остальные элементы задерживаются на Земле благодаря постоянным круговоротам, происходящим в том числе с участием живых организмов.

С образованием на Земле живого вещества химические элементы непрерывно циркулируют в биосфере, переходя из внешней среды в организмы, из них – вновь во внешнюю среду.

Круговорот углерода. Миграция углерода в биосфере протекает двумя путями. Один путь включает поглощение углекислого газа наземными растениями и некоторыми бактериями в процессе фотосинтеза и хемосинтеза, выделение в атмосферу в процессе дыхания или последующее «захоронение» в виде торфа, угля, нефти и осадочных пород. Ископаемое топливо возвращается в атмосферу при горении (рис. 52).

Рис. 52. Схема биологического круговорота
Другой путь миграции углерода заключается в растворении углекислого газа в водах Мирового океана. Здесь углекислый газ переходит в угольную кислоту (H₂CO₃) и ее анионы: HCO₃^-, CO₃^2-, а затем биогенным способом или на основе химических реакций соединяется с кальцием, образуя огромные массы карбоната кальция (CaCO3). В результате этого появляются мощные по толщине карбонатные породы. Накоплению карбоната кальция способствуют диатомовые водоросли, одноклеточные животные с известковым скелетом.

Круговорот азота. Несмотря на то что в атмосферном воздухе много газообразного азота (78%), для растений и животных он не доступен. Растениям энергетически более выгодно использовать азот, входящий в состав минеральных солей, а животным – получать азот в составе белков.

Процесс связывания газообразного азота осуществляют бактерии – азотфиксаторы, живущие в почве и на корнях бобовых растений (клубеньковые бактерии). Азот почвы потребляют растения, всасывая корнями растворы минеральных солей. Животные потребляют азот в составе растительных белков. Белки мертвых животных и растений разлагают бактерии до минерального состояния. Возврат азота происходит в результате вымывания его из почвы и выделения в атмосферу в виде чистого азота или его оксидов в основном благодаря деятельности микроорганизмов (см. рис. 52).

Минеральные соли азота, попадающие в водоемы, проходят по пищевым цепям: водное растение – водное животное – микроорганизмы. Затем они возвращается в атмосферу. Таким образом, круговорот азота включает процессы, которые осуществляются благодаря деятельности бактерий.

К таким процессам относятся аммонификация, нитрификация, денитрификация, азотфиксация.

Аммонификация – процесс разложения белков (гниение) с образованием аммиака, осуществляемый редуцентами. При этом происходит минерализация органического вещества.

Нитрификация – окисление солей аммиака в соли азотной кислоты. Этот процесс идет поэтапно: первый этап – соли аммиака превращаются в соли азотистой кислоты (нитриты); второй этап – нитриты превращаются в нитраты (соли азотной кислоты). Осуществляется нитрификация почвенными нитрифицирующими бактериями.

Денитрификация – процесс разложения солей азотной кислоты до газообразного азота, осуществляемый денитрифицирующими бактериями.

Азотфиксация – процессы образования азотистых соединений путем фиксации (усвоения) атмосферного азота свободноживущими почвенными бактериями или клубеньковыми бактериями, живущими в симбиозе с корнями бобовых растений.

Человек своей хозяйственной деятельностью может существенно нарушать равновесие цикла круговорота азота. Например, при распашке земель резко (примерно в 5 раз) снижается активность процесса фиксации азота микроорганизмами и, наоборот, активизируются процессы денитрификации (разложения). В результате в почве значительно уменьшается содержание азота, что ведет к снижению почвенного плодородия.

Круговорот фосфора. Основная масса фосфора сосредоточена в минеральной части литосферы.

Круговорот фосфора состоит из двух частей – наземной и морской. В горных породах фосфор находится в апатитах. В процессе выветривания горных пород фосфор в составе минеральных соединений переносится природными водами в Мировой океан. Здесь он переходит в состав фитопланктона (главным образом одноклеточных зеленых водорослей), который служит пищей водным животным. Фосфор в виде солей накапливается в тканях морских животных (в скелете), часть его уходит в глубокие слои и накапливается в илах.

Возврат фосфора на сушу может происходить при поднятии земной коры. Определенное количество фосфора переносится из водной среды на сушу морскими птицами и частично – при промысле морепродуктов.

Из почвы фосфор извлекается наземными растениями и преобразуется ими в фосфорсодержащие органические вещества. С мертвыми остатками организмов фосфор вновь возвращается в почву.

23. Возможность сопряженной эволюции биосферы и цивилизации. Представления о ноосфере. Признаки ноосферы в современном мире.

Ноосфера как высшая стадия эволюции биосферы

Качественно новый этап развития биосферы наступил в современную эпоху, когда деятельность человека, преобразующая поверхность Земли, по своим масштабам стала соизмеримой с геологическими процессами. Как отмечал В.И. Вернадский, биогеохимическая роль человека за последнее столетие стала значительно превосходить роль других, даже наиболее активных в биогеохимическом отношении организмов. При этом использование природных ресурсов происходит без учета закономерностей развития и механизмов функционирования биосферы. В результате хозяйственной деятельности из биотического круговорота изымаются или существенно преобразуются большие территории (сведение и насаждение лесов, осушение болот, строительство городов, дорог, плотин, распашка целинных земель, создание водохранилищ и т. д.). Добыча полезных ископаемых, сжигание огромных количеств топлива, создание новых, не существовавших ранее в биосфере веществ, интенсифицируют круговорот веществ, изменяют состав и структуру слагающих его компонентов. Антропогенные воздействия на биосферу, принявшие глобальный характер (на Земле не осталось ни одного участка суши или моря, где нельзя было бы обнаружить следов деятельности человека), ставят под угрозу возможность поддержания гомеостаза в биосфере.

В 1944 г. В.И. Вернадский развил представление о переходе биосферы в ноосферу, то есть в такое ее состояние, когда развитие биосферы будет управляться разумом человека. Сам термин «ноосфера» предложен Э. Леруа (1927) и П. Тейяром де Шарденом (1930).

Ноосфера – сфера разума, высшая стадия развития биосферы, когда разумная человеческая деятельность становится главным, определяющим фактором ее развития.

По убеждению В.И. Вернадского, биосфера вступает в новую стадию своего развития – стадию ноосферы. На этой стадии человек разумный выступает как геохимическая сила невиданного масштаба. Особенность этой силы – ее разумность.

Кроме понятия «ноосфера» часто употребляют такие понятия, как «антропосфера», «техносфера» и др.

Антропосфера – сфера Земли, где живет и куда временно проникает (с помощью спутников и т.п.) человечество. Понятие «антропосфера» употребляют для характеристики пространственного положения человечества и его хозяйственной деятельности.

Техносфера – часть биосферы (со временем, по-видимому, вся биосфера), преобразованная технической деятельностью человека. Понятие «техносфера» используют, когда хотят подчеркнуть вещественную сторону отношений человек-природа, а также то, что на настоящем этапе хозяйственная деятельность людей не настолько разумна, чтобы говорить о ноосфере.

Надо отметить, что единства в терминологии по данному вопросу нет. Понятие «ноосфера» является самым общим, а другие понятия используют, когда хотят оттенить тот или иной аспект. Можно выделить ряд основных признаков превращения биосферы в ноосферу:

1. Возрастание количества механически извлекаемого материала земной коры (рост разработки месторождений полезных ископаемых). Геохимическая деятельность человека становится сравнимой по масштабам с биологическими и геологическими процессами. В геологическом круговороте резко возрастает звено денудации.

2. Массовое потребление (сжигание) продуктов фотосинтеза прошлых геологических эпох (нефти, газа, каменного угля и пр.). Следствием является усиление парникового эффекта и глобальное потепление климата.

3. Рассеивание энергии, в отличие от ее накопления в биосфере до появления человека. Основным следствием является энергетическое загрязнение биосферы.

4. Образование в больших количествах веществ, ранее в биосфере отсутствовавших (чистые металлы, пластмассы и др.). В результате наблюдается химическое загрязнение биосферы – ее металлизация, загрязнение промышленными и другими отходами и т.д.

5. Создание, хотя и в ничтожно малых количествах, трансурановых химических элементов (плутония и др.). Освоение ядерной энергии за счет деления тяжелых ядер и (в обозримом будущем) термоядерной энергии за счет синтеза легких ядер атомов. Возникает опасность теплового загрязнения биосферы и загрязнения радиоактивными отходами ядерной энергетики.

6. Расширение границ ноосферы за пределы Земли в связи с научно-техническим прогрессом. Возникновение космонавтики обеспечило выход человека за пределы родной планеты. Ноосфера в будущем займет большее пространство, чем биосфера до появления человека. Создается принципиальная возможность создания искусственных биосфер на других планетах.

24. Общие закономерности территориальной физико-географической дифференциации. Ландшафты и геосистемы локального уровня. Ландшафтное обоснование рационального природопользовании.

25. Функционирование ландшафта. Круговороты в ландшафте. Систематика ландшафтов. Природно-антропогенные ландшафты.

Функционирования ландшафтов - это совокупность всех процессов перемещения, обмена и трансформации вещества и энергии внутри ПТК или между разными ПТК как интегральниш физико-географичниш процесс. Главными составляющими функционирования ландшафтов являются: влагообмен, минеральный обмен, газообмен, энергообмен и круговорот.

Влагообмен называют "кровообращением ландшафта", поскольку сложная система водных потоков пронизывает ландшафт подобно кровеносной системе человека. Посредством потоков влажные происходит основной минеральный обмен между отдельными составными частями ландшафта. Перемещение влаги сопровождается формированием растворов, транспортировкой и аккумуляцией химических элементов; подавляющее большинство геохимических реакций происходит в водной среде. Главными процессами влагообмена является выпадение атмосферных осадков, поверхностный сток, инфильтрация и подземный сток, поднятия грунтовых растворов по капиллярам и испарения, транспирация, конденсация влаги в атмосфере и новое выпадение осадков.

Минеральный обмен в ландшафте происходит под действием силы тяжести и, в отличие от влагообмена, выглядит направленных в одну сторону миграционных гравитационных потоков, а не кругооборота. Минеральные вещества мигрируют в ландшафте в виде: 1) твердых продуктов денудации горных пород перемещаются по склонам под действием силы тяжести, 2) твердых продуктов вулканических извержений, 3) механических примесей в воде (взвешенные наносы) 4) механических примесей в воздухе (пыль), 5) водорастворимых веществ, т.е. ионов, которые перемещаются с водными потоками и принимают участие в геохимических и биохимических реакциях.

Газообмен - это перемещение, раствор и трансформация газообразных веществ, а также циркуляция воздушных масс, которая сопровождается обменом веществом и энергией.

Энергообмен представляет собой кругооборот и трансформацию солнечной энергии. Солнечная энергия способна превращаться в различные другие виды энергии - тепловую, химическую, механическую. За счет солнечной энергии происходят все внутренние процессы обмена в ландшафте, включая влагообмен и биогенный круговорот. Обеспеченность солнечной энергией обусловливает интенсивность функционирования ландшафтов. Суточные и сезонные колебания количества солнечной энергии обусловливают основные циклы функционирования - суточный и годовой.

Биогенный круговорот - это процессы образования и разрушения органического вещества. Образования органического вещества из неорганического осуществляется первичными продуцентами (высшими растениями, водорослями и бактериями) за счет солнечной энергии и называется фотосинтезом. Разрушения органического вещества происходит в результате поедания растений фитофагами, а фитофагов - зоофагамы, а также разложение отмерших органических остатков микроорганизмами.

Каждый из пяти главных процессов функционирования ландшафтов состоит из многочисленных элементарных процессов, которые имеют физический, химический или биологический характер. Примерами физических процессов функционирования является падение капель дождя, нагрева или охлаждения земной поверхности, поднятия грунтовых растворов по капиллярам, испарение. Примерами химических процессов функционирования является механическая, водная, воздушная, биогенная и техногенная миграция химических элементов. И, наконец, биологическими процессами функционирования является фотосинтез, разложение органической массы микроорганизмами и т.д.. ослидження каждого из этих элементарных процессов методами соответствующих наук - физики, химии, биологии - позволяет изучить интегральные процессы функционирования ландшафтов. Физические процессы функционирования изучает геофизика ландшафта, химические - геохимия ландшафта, биологические - биотик ландшафта (биогеоценологии). Исследования проводятся на комплексных географических стационарах путем регулярных и многолетних наблюдений.