3.4. Біосфера
Біосфера - приземний шар атмосфери (кілька десятків м над поверхнею рослинного покриву або над океаном), поверхневі шари земної кори (по горизонту грунтових вод, гідросферу Землі (в океані - фотичний шар близько 100 м). В. І. Вернадський про величезну перетворюючу геологічну роль живої речовини.
Біомаса, продуктивність і основні функції біосфери.Сумарна біомаса біосфери (на суху речовину) близько 2 трлн т. Загальна кількість енергії, що перетворюється біотою 10 22 Дж. виконують фундаментальні біогеохімічні функції.
Газова функція. Живі організми постійно обмінюються киснем та вуглекислим газом із навколишнім середовищем у процесах фотосинтезу та дихання. Рослини відіграли вирішальну роль у зміні відновного середовища на окислювальну в геохімічній еволюції планети, у формуванні газового складу атмосфери. Вони контролюють концентрації кисню та вуглекислого газу, оптимальні для біоти.
Концентраційна функція. Живі організми здійснюють біогенну міграцію та концентрування хімічних елементів. Ранні етапи еволюції проходили у водному середовищі. Організми навчилися вилучати з водного розчину речовини, багаторазово збільшуючи їхню концентрацію у своєму тілі.
Окислювально-відновна функція живої речовини. Живі клітини мають у своєму складі активні каталізатори хімічних процесів, наприклад, окислити молекулярний азот у мільйони разів швидше, ніж у лабораторних умовах.
Інформаційна функціяживої речовини біосфери. Організми здатні до отримання інформації шляхом з'єднання потокуенергії з активною молекулярною структурою, яка грає роль програми. Здатність сприймати, зберігати і переробляти молекулярну інформацію здійснила еволюцію в природі і стала найважливішим екологічним системоутворюючим фактором. Сумарний запас генетичної інформації оцінюється в 1015 біт, загальна потужність потоку молекулярної інформації біосфери 1035 біт/с.
Перелічені функції живої речовини біосфери звернені до зовнішніх факторів існування, разом вони утворюють потужну функцію середовищ. Робота рослин зумовила склад атмосфери. Від складу атмосфери залежить радіаційний та тепловий режим на планеті, спектральний склад сонячного світла. Рослинний покрив визначає водний Балан, розподіл вологи та кліматичні особливості місцевості. Живі організми грають вирішальну роль самоочищенні повітря, води, грунту. Завдяки рослинам утворився ґрунт, підтримується його родючість.
Біота обдарувала людину їжею, одягом, ін. Середоутворююча функція біосфери пов'язана із середовищем. Біота формує та контролює стан навколишнього середовища.
3.5. Біотична регуляція довкілля.
Потік енергії у біосфері. Правило 1%. Сонце дарує Землі величезну кількість енергії – 2,5 1024 Дж/год. Тільки 0,3% її перетворюється у процесі фотосинтезу в енергію хімічних зв'язків органічних речовин і 0,1% виявляється ув'язненою в чистій первинній продукції. Відповідно до закону піраміди або правилом 10% Ліндемана (1942) з кожного ступеня на наступний приблизно 10% енергії. Чим більше таких щаблів, тим менша частка енергії дістається кінцевому споживачеві. Участь різних груп організмів у деструкції органіки має схожу градацію: близько 90% енергії чистої первинної продукції звільняють мікроорганізми.10% - хребетні тварини і менше 1% хребетні - кінцеві консументи.
Правило 1%: для біосфери загалом частка можливого кінцевого споживання чистої первинної продукції в енергетичному вираженні не перевищує одного відсотка
Потік сонячної енергії утворює глобальні фізичні кругообіги повітря та води на Землі. Рух повітряних мас зумовлює аерогенну міграцію речовин, насамперед парів води та пилових частинок, аерозолів. Під впливом сонячної радіації у атмосфері відбуваються різні фотохімічні реакції – фотоліз води, утворення озону, утворення вуглеводневих смогів та інших.
Кругообіг води визначає гідрогенну міграцію речовин, яка складається з безлічі процесів. Тільки вода може перебувати в природі у трьох фазових станах: твердому, рідкому та газоподібному. Фазові переходи води – її замерзання, танення, конденсація водяної пари та випаровування, пов'язані з кількістю надходить у різні райони Землі у різні сезони року сонячної енергії.
Кругообіг води забезпечує взаємозв'язок всіх елементів гідросфери: випаровування, конденсація, утворення хмар, випадання з них опадів, поверхневий та підземний стік. У світовий кругообіг води у природі залучено близько 577 тис. км 3 , що становить 0,04% від її запасів Землі. З поверхні океану випаровується 505 тисяч км3, суші – 72 тис. км3, випадає у вигляді атмосферних опадів на поверхню океану – 458 тис.км3, суші – 119 тисяч км3 на рік. Різниця між опадами і випаровуванням з поверхні океану, що дорівнює 47 тис. км 3 , є обсягом води, який у вигляді річкового стоку надходить у Світовий океан (Г.Уайт, 1990).
Кругообіг води об'єднує всі водні ресурси планети, що знаходяться в океані, атмосфері, біосфері, земнійкорі, забезпечуючи в такий спосіб єдність всіх природних вод Землі. Великий кругообіг води складається з трьох складових: океанічного, атмосферного та материкового. Материковий кругообіг включає літогенну, ґрунтову, річкову, озерну, льодовикову, біологічну та господарську ланки, кожна з них відрізняється певною швидкістю водообміну, специфічною структурою всіх своїх частин.
Найбільш активний водообмін відзначається в річках та атмосфері, дуже повільний кругообіг води відбувається у льодовиках, при формуванні підземних вод. Біологічна та ґрунтова ланки кругообігу води забезпечують життя і сільське господарство, саме ці ланки зазнають найбільшого перетворення при створенні водосховищ, ставків, проведенні іригаційних заходів. Ці заходи проводять з метою штучного уповільнення кругообігу води для гарантії сталого водозабезпечення народного господарства та населення.
Таким чином, крім фізичних кругообігів води та повітря, що викликаються потоком сонячної енергії, в них залучені кругообіги хімічних елементів. У значній частині цих процесів беруть участь живі організми.
Біотичний кругообіг. У кругообіг біогенних елементів залучені важливі для біоти мінеральні елементи та безліч різних сполук. Тому весь циклічний процес хімічних перетворень, зумовленої біотою, називають біогеохімічним кругообігом. Кругообіг повністю замкнутий. Головним учасником біотичного круговороту є вуглець як основа органічних речовин. Схема глобального кругообігу вуглецю на рис. Маса вуглецю в біосфері, а нині становить 4 000 Гт. З них 1000 Гт припадають на біомасу. Щорічна продукція біосфери з вуглецю становить 90…100 Гт. Така ж кількість вуглецю звільняється впроцесах дихання та деструкції. Період оновлення біомаси біосфери з вуглецю становить 10 років. Незважаючи на те, що фотосинтез та деструкція органіки проходять безліч проміжних етапів та пов'язані з діяльністю колосального числа різних організмів та екосистем, їхня рівність у біосфері підтримується з високою точністю.
Сучасний газовий склад атмосфери залишався незмінним щонайменше десять років.
Круговорот азоту.Азот входить у структуру білків, є лімітуючим біогенним елементом. Колосальний резерв вільного молекулярного азоту в атмосфері лише незначною мірою використовується в біотичному кругообігу. Співвідношення зв'язаного та вільного азоту 1:100 000. Енергія хімічного зв'язку в молекулі азоту дуже велика, тому азотфіксація вимагає великих витрат енергії; у присутності каталізаторів при температурі 500 0 С та тиску 300 атм.
У біосфері фіксація азоту здійснюється анаеробними та ціанобактеріями завдяки високій ефективності біокаталізатора. Вважається, що бактерії переводять у пов'язану форму близько 1 млрд. т азоту на рік. Продукт азотфіксації аміногрупа включається в кругообіг, будучи основою азотного живлення рослин.
Кругообіг азоту в природі пов'язаний з кругообігом вуглецю. Він замкнутий настільки, наскільки постійними є загальна біомаса і склад екосфери, т.к. доступні для біоти резерви азоту у ґрунті та у воді досить великі.
З кругообігом кисню тісно пов'язане утворення озону. У високих прошарках атмосфери під впливом жорсткого ультрафіолетового випромінювання відбувається іонізація та дисоціація частини молекул кисню, утворюється атомарний кисень, який негайно приєднується до радикалів кисню, утворюючи озон. На утворення озону витрачається 5% сонячної енергії, що надходить до Землі.Реакції легко оборотні.
Поглинаючи при своїй освіті значну частину жорстких ультрафіолетових променів шар озону відіграє роль захисного екрану для біосфери, т.к. Багато молекулярні структури живих організмів руйнуються під впливом жорсткого ультрафіолету.
Круговорот фосфору.Фосфор, як і азот, відноситься до лімітуючих біогенів, але цикл фосфору істотно розімкнуто, так як значна частина континентального стоку фосфатів залишається в океанічних опадів. Ця розімкненість істотно посилена антропогенним втручанням.
Такі ж відносини спостерігаються у глобальному кругообігу сірки та інших мінеральних елементів, природні резерви яких великі, але відносно мало доступні біоті.