Основные понятия и свойства биосферы

В океанической воде находятся растворённые газы, которые образуются при обмене газами с земной атмосферой, при участии биохимических процессов в океане и на его дне, при дегазации мантии в районах рифтовых долин и подводных вулканов. Так, если в атмосфере Земли больше всего по массе азота и кислорода и немного углекислого газа, то в растворённой атмосфере океана основу по массе составляет углекислый газ, которого почти в 100 раз больше, чем в земной атмосфере. Кислорода же в океане почти в 100 раз меньше и совсем мало азота. В заметных количествах растворены и другие газы, такие как сероводород, аргон, метан. В целом масса растворённых в океане газов примерно в 30 раз меньше массы атмосферы Земли.

Вода  является самым мощным поглотителем солнечного тепла на поверхности  Земли (теплоёмкость воды в 3300 раз больше теплоёмкости воздуха). Поэтому решающая роль в поглощении солнечной энергии на нашей планете принадлежит Мировому океану. Способность Мирового океана поглощать солнечную энергию в 2-3 раза больше, чем у поверхности суши. От поверхности океана отражается лишь 8 % солнечной радиации. Из-за особых тепловых свойств воды океан выступает накопителем солнечной энергии на планете. Нагревается он в основном в экваториальном поясе (от 15^о южной широты до 30^о  северной широты), а в более высоких широтах обоих полушарий отдаёт тепло.

Основными переносчиками накопленного в океане солнечного тепла являются поверхностные  течения. Средняя температура поверхности  океана равняется 17,8 ^оС, самая «горячая» поверхность у Тихого океана (+19,4 ^оС), а самая «холодная» подо льдом Северного Ледовитого океана (- 0,75 ^оС). Температура поверхности Мирового океана в среднем на 3 ^оС выше, чем температура воздуха у поверхности Земли.

Воды  Мирового океана всё время находятся  в активном движении. Этому способствует атмосферная циркуляция, неравномерный нагрев поверхности, контрасты солёности, возникающие в связи с изменчивостью испарения и осадков по акватории, температурные контрасты, силы притяжения Луны и Солнца.

Общие запасы пресной воды составляют 2,5 % или 35 млн.км³, т. е. на каждого жителя планеты приходится около 8 млн. м³ пресной воды. Однако подавляющая часть пресной воды труднодоступна. Примерно 70 % пресной воды сосредоточено в ледниках, общий объём которых оценивается в 27 млн.км³.

Пресные подземные воды залегают, обычно, до глубины 150 – 200 м, ниже они переходят в солоноватые и рассолы. Объём пресных подземных вод оценивается примерно в 100 раз большим, чем объём пресных вод всех озёр, рек и болот.

Наименьшее  количество воды на поверхности Земли находится в такой важной для человека составляющей гидросферы, как реки. Но реки, в отличие от других составляющих гидросферы, являются быстрыми транспортёрами воды. Вода в реках возобновляется намного быстрее, чем в любой другой составляющей гидросферы. Поэтому, несмотря на сравнительно небольшой мгновенный запас воды в руслах (1200 км³), реки в течение года доставляют к устьям 45000 км³воды.

С поверхности  Мирового океана и континентов ежегодно испаряется 577 км³воды, которая перемещается вместе с воздушными массами, участвуя в круговороте воды в природе. Круговорот воды обеспечивает единство всех видов воды в гидросфере.

Занимая большую часть поверхности планеты, гидросфера обладает очень большим  разнообразием природных условий. Значительное разнообразие создаётся одновременным существованием воды в трёх фазах, резко различающихся составляющими, большим набором растворённых в ней веществ и газов, формированием разнообразных статических и динамических структур. Даже на первый взгляд однородный океан на самом деле представляет анизотропную среду, в которой неоднородности в масштабах от микрометров до сотен километров создаются физико-химическими процессами, деятельностью живых организмов и под воздействием деятельности человека.

Гидросфера  Земли как компонент экосистемы представляет собой глобальную термодинамически открытую систему со своим «входом» и «выходом». Вход – это поток солнечной энергии, который приводит в движение гидросферу, а выход – вещества, накапливающиеся в результате потоков энергии и вещества в сообществах. На вход этой системы поступает также энергия из недр нашей планеты и энергия гравитационного притяжения Луны и Солнца, но эти величины намного меньше потока солнечной радиации.

Литосфера – это верхняя твёрдая оболочка Земли. В состав биосферы входят верхние горизонты литосферы (литобиосфера), подвергающиеся ныне или подвергавшиеся в прошлом воздействию живых организмов. К биосфере, например, относятся некоторые полезные ископаемые, в частности, каменный уголь – продукт фотосинтеза растений в прошлые геологические эпохи.

В земной коре – верхней части  литосферы – обнаружено 90 химических элементов, но только 8 из них широко распространены и составляют 97,2%. По А.Е. Ферсману, они распределяются следующим  образом: кислород – 49%, кремний – 26, алюминий – 7,5, железо – 4,2, кальций – 3,3, натрий – 2,4, калий – 2,4, магний – 2,4%.

Общий химический состав литобиосферы определяют немногие элементы (О, Si, Al, Fe, Са, Mg, Na, К), которые слагают основную её массу. При этом наиболее распространённым элементом является кислород, который прочно связан химически с другими элементами.

В литосферу  живые организмы проникают на ничтожную глубину. Основная их масса  сосредоточена в верхнем слое - почве мощностью в несколько  десятков сантиметров, и редко кто проникает на несколько метров или десятки метров вглубь (корни растений, дождевые черви). По трещинам земной коры, колодцам, шахтам и буровым скважинам животные и бактерии могут опускаться на глубину до 3 км. Проникновение зеленых растений в глубь литосферы невозможно из-за отсутствия света, а животные не находят там питания. Механические свойства горных пород, слагающих литосферу, также препятствуют распространению в них жизни. Наконец, с продвижением в недра Земли температура возрастает и на глубине 3 км достигает 100 ^оС.

Газовая функция. Фотосинтез, дыхание, деятельность азотфиксирующих и денитрифицирующих бактерий создали атмосферу Земли, содержащую 21% кислорода, 0,03% углекислого газа, около 80% азота. Метан, сероводород — эти газы также биогенного происхождения.

Концентрационная функция живого вещества проявляется в захвате и накоплении живыми организмами биогенных химических элементов — углерода, кислорода, водорода, азота, калия, натрия и др.

Окислительно-восстановительная функция связана с химическими превращениями веществ. Эти реакции лежат в основе метаболизма, в основе реакций пластического и энергетического обменов.

Почва – это особое природное образование, обладающее рядом свойств, присущих живой и неживой природе, которыми она отличается от материнской (почвообразующей) породы.  Почва – это трёхфазная среда, включающая твёрдые, жидкие и газообразные компоненты. Она является продуктом физико-химического и биологического преобразования (выветривания) горных пород, то есть представляет собой продукт сложного взаимодействия неживой природы, климата, растений, микроорганизмов и животных. Самый верхний горизонт (гумус), содержащий продукты перегнивания органики, является наиболее плодородным. Его мощность по глубине  - 10 – 15 см. Избыток или недостаток гумуса определяет плодородие почвы. Именно в нём происходят сложные физико-химические процессы, определяющие образование элементов питания растений. В гумусе содержатся основные элементы питания растений. Над гумусовым горизонтом располагается слой растительного опада, который принято называть подстилкой. Он состоит из ещё не разложившихся растительных остатков.

В состав твёрдой части почвы входит органическое вещество, состоящее из соединений растительного, животного и микробного происхождения и промежуточные продукты их разложения.

Жидкая  часть – почвенный раствор  является активным компонентом почвы, который осуществляет перенос веществ  внутри неё, вынос из почвы и снабжение  растений водой и растворёнными  элементами питания. Обычно он содержит ионы, молекулы, коллоиды и более крупные частицы, превращаясь иногда в суспензию.

Газообразная  часть или почвенный воздух заполняет  поры, не занятые водой. Количество и состав почвенного воздуха, в который  входят N2, O2, CO2, летучие органические соединения и прочие, не постоянны и определяются характером множества протекающих в почвах химических, биохимических, биологических процессов.

Под влиянием факторов почвообразования (климат, материнская  порода, растительный и животный мир, рельеф и геологический возраст территории, хозяйственная деятельность человека) в почве протекают разнообразные процессы, которые объединяют в три основные группы:

• обмен веществами и энергией между почвой и другими природными телами;
• процессы превращения веществ и энергии, происходящие в самом почвенном теле без перемещения веществ;
• процессы передвижения веществ и энергии в почве.

Почвенные процессы протекают в тесной взаимосвязи  и взаимозависимости, охватывая  всю почвенную толщину или  сосредотачиваясь в отдельных частях.

Соотношение твердой, жидкой, газообразной и живой частей в почвах весьма разнообразно. Но для всех почв характерно уменьшение содержания органических веществ и живых организмов от верхних горизонтов к нижним.

Почва служит естественной средой обитания для различных групп  микроорганизмов - почвенных микроорганизмов. Эти микроорганизмы играют важную роль в почвообразовании, формировании плодородия почвы и в круговороте веществ в природе. Они могут развиваться не только непосредственно в почве, но и в разлагающихся растительных остатках. В почве встречаются также некоторые болезнетворные микробы, водные микроорганизмы и другие, которые случайно попадают в почву. Но они, как правило, быстро погибают в почве. Однако некоторые из них сохраняются в почве длительное время, например сибиреязвенные бациллы, возбудители столбняка и др., и могут служить источниками инфекции для растений, животных и человека.

По общей массе  почвенные микроорганизмы составляют большую часть микроорганизмов  нашей планеты. Обработка почвы, внесение удобрений, изменение водных режимов почвы также существенным образом влияют на число почвенных микроорганизмов. Важнейшая планетарная функция, которую выполняют почвенные микроорганизмы, состоит в круговороте веществ, в том числе в процессе превращения важнейших биогенных элементов О, С, N, Р, S, Fe и др. Почвенные микроорганизмы способны разрушать все природные органические соединения, а также ряд неприродных органических соединений. Они выполняют важную роль в очистке окружающей среды и загрязнителей.

Исключительная роль почвы заключается в том, что почва представляет собой основной источник продовольствия, обеспечивающий 95 – 97 % продовольственных ресурсов планеты.