 |
Составляющие энергетического баланса в биосфере
|
|
|
|
Потоки энергии на Земном шаре имеют три источника:
а) солнечная энергия;
б) энергия земных недр;
в) кинетическая энергия вращения Земли и ее спутника Луны, как космических тел.
Главнейшей частью в системе управления биосферой является энергия Солнца. Всю биосферу можно расценивать как единое природное образование, которое поглощает энергию из космического пространства и направляет ее на внутреннюю работу. В биосфере энергия только переходит от одних форм к другим и рассеивается в виде тепла. Особенностью поведения энергии в биосфере (как и любой экосистеме) является её односторонняя направленность - концентрированная энергия, пройдя ряд преобразований, рассеивается в виде тепла. Баланс энергии имеет вид: Ек = А + Ер , где Ек - концентрированная энергия, А – энергия затраченная на работу по функционированию экосистемы,
Ер - рассеянная энергия. Основные направления потоков энергии на Земном шаре показаны на рисунке 5.1. Основными преобразователями энергии в биосфере являются живые организмы. Продуценты превращают свободную лучистую энергию Солнца (концентрированная энергия) в химически связанную, которая потом переходит (по пищевым цепям) от одних биосферных структур к другим.
 |
Рисунок 5.1.- Основные направления потоков энергии на Земном шаре.
При каждом переходе часть энергии превращается в тепло и рассеивается в окружающем пространстве.
Эффективность переноса энергии в живом веществе довольно низкая. Как известно, при переходе от одного звена трофической цепи к другому передается только 10-20% связанной энергии, а 80-90% ее рассеивается в виде тепла.
Судьба годового потока солнечной энергии такая:
|
|
|
1) отражается - 30%;
2)прямо превращается в тепло - 46%;
3)испарение, осадки - 23%;
4)ветер, волны - 0,2%;
5)фотосинтез - 0,08%.
Таким образом, только небольшая часть солнечной энергии (» 1%), расходуется на фотосинтез, но именно она является источником всей жизни на Земле. Тем не менее, те приблизительно 70% энергии Солнца, которые превращаются в тепло, направляются на испарение,
осадки, ветер не теряются зря, так как эта энергия поддерживает нужную для жизни температуру, приводит в действие системы погоды, обеспечивает кругооборот воды, без чего невозможна жизнь на Земле. Нормальное функционирование возможно лишь тогда, когда ничем не сдерживается поступление и передача концентрированной энергии и уход тепловой энергии.
Потоки вещества в биосфере
С потоками энергии тесно связаны потоки вещества. За счет процессов миграции химических элементов все геосферы Земли связаны единым циклом кругооборота этих элементов. Кругооборот, движущей силой которого являются тектонические процессы и солнечная энергия, получил название большого (геологического) кругооборота. Схематически это можно представить так. Глубинные породы мантийного происхождения (базальты) тектоническими процессами выводятся из недр Земли в биосферу. Под действием солнечной энергии и живого вещества они выветриваются, переносятся, превращаются в различные осадочные породы. Затем за счет тектонических движений снова попадают в зону больших давлений и температур Земли, где из них освобождается солнечная энергия, осуществляется метаморфизм и создание гранитных пород. Гранитные породы снова за счет тектонических движений попадают в биосферу. Таким образом, большой кругооборот вещества можно рассматривать как эволюцию земной коры от океанического (базальтового) типа до материкового (гранитного). Мощность большого кругооборота приблизительно 2∙1016 т/год.
|
|
|
Возникновение жизни на Земле способствовало появлению новой формы миграции химических элементов – биогенной. На геологический кругооборот наложился биогенный кругооборот вещества. Химические элементы, в том числе все основные элементы протоплазмы, циркулируют в биосфере по характерным путям из внешней среды в организмы и опять во внешнюю среду. Эти в большей или меньшей степени замкнутые пути называются биогеохимическими циклами.
Биохимические циклы – это циклическое перемещение биогенных элементов: углерода, кислорода, водорода, азота, серы, фосфора, кальция, калия и др. от одного компонента биосферы к другим так, что на определенных участках этого кругооборота они входят в состав живых организмов.
Перемещение вещества в биохимических циклах обеспечивает жизнедеятельность живых организмов. Химические элементы, которые принимают участие в строительстве живого вещества и необходимые для его синтеза, получили название биогенных. Состав абиотичной части нашей планеты приблизительно такой: Fe»36%, O2» 25%, Si» 23%, Mg» 10%, S» 3%, Ni» 2%, другие» 1,5%. Состав биомассы совсем другой: O2» 70%, C» 15%, H» 11%, другие» 4%.
Принцип цикличности в преобразованиях и перемещениях
вещества в биосфере является основоположным. Сохранение цикличности - условие существования биосферы.
В каждом круговороте удобно различать две части:
- резервный фонд – большая масса медленно движущихся веществ, в основном не биологический компонент,
- подвижный, или обменный фонд – меньший, но более активный, для которого характерен быстрый обмен между организмами и их непосредственным окружением.
Если рассматривать всю биосферу в целом, то биогеохимические циклы можно подразделить на два основных типа:
– круговорот газообразных веществ с резервным фондом в атмосфере или гидросфере (океан);
– осадочный цикл с резервным фондом в земной коре.
Две части биосферы, биотическая и абиотическая, эволюционируя совместно, влияют друг на друга. Известно, что из 90 с лишним элементов, встречающихся в природе, 30 – 40 требуются живым организмам. Некоторые элементы, такие, как углерод, водород, кислород и азот, необходимы организмам в больших количествах. Центральное место в биосфере занимают биохимические циклы: воды (рис. 5.2), углерода (рис. 5.3), азота (рис.5.4), и фосфора (рис.5.5).
|
|
|
Антропогенное природопользование вносит в биогеохимические циклы немало препятствий..Человек так ускоряет движение многих веществ, что круговороты становятся несовершенными или процесс теряет цикличность и складывается противоестественная ситуация; в одних местах возникает недостаток, а в других - избыток каких-то веществ.
Так, сжигание топлива приводит к поступлению в атмосферу около 20 млрд. тонн углекислого газа и 700 млн. тонн других газов и твердых частиц. Вырубка лесов приводит к вынесению из экосистемы леса тысячи тонн азота, кремния, фосфора.
Эти процессы, в сущности, ведут к появлению нового техногенного типакругооборотахимическихэлементов. Перенесенные в урбанизированные районы или в агроэкосистемы эти вещества оказываются или совсем, или временно исключенными из естественного их кругооборота. Т.е. человек является мощным геологическим фактором.
Усилия по охране природных ресурсов в конечном счете направлены на то, чтобы превратить ациклические процессы в циклические. Основной целью общества должно стать «возвращение веществ в круговорот».
. 
Рисунок 5.2- Кругооборот воды в биосфере и мировой водный баланс в тыс. кг / год (антропогенные составляющие)
Рисунок 5.3 - Кругооборот углерода в биосфере и его основные
составляющие в 109 т. CO2 в год (антропогенные составляющие)
Нормальное функционирование биосферы возможно, если антропогенная деятельность не препятствует осуществлению естественных биогеохимических циклов, разрушение которых может привести к деградации биосферы.
Рисунок 5.4 - Кругооборот азота в биосфере и его основные составляющие в 106 т. в год (антропогенные составляющие)
Рисунок 5.5 - Кругооборот фосфора в биосфере и его основные составляющие в 106 т. в год (антропогенные составляющие)
Стабильность биосферы
Биосфера возникла одновременно с появлением жизни на Земле, т.е. несколько миллиардов лет тому назад. Длительное существования биосферы часто считается настолько естественным, что не возникает вопроса о необходимости объяснения этого факта. Между тем все компоненты биосферы, и в особенности живые организмы, при изменении условий окружающей среды обладают ограниченной устойчивостью и при определенном сочетании внешних факторов могли исчезнуть.
|
|
|
Биосфера выступает как чрезвычайно сложная экосистема, которая функционирует в стационарном режиме на основе саморегуляции всех составных ее частей и процессов.
В нормальном состоянии любой экосистеме и биосфере в целом присущее устойчивое состояние, имеющее название гомеостаз, которое характеризуется динамическим равновесием между рождаемостью и смертностью, потреблением и освобождением вещества и энергии. Отдельные экосистемы, а так же и биосфера, постоянно подвергаются внешнему воздействию, которое старается вывести их из равновесия. Если это воздействие не слишком большое, тогда в ходе экологического дублирования нарушенные связи заменяются другими, и процесс передачи вещества и энергии продолжается. Согласно принципу Ле-Шателье, любые внешние воздействия, выводящие систему из состояния равновесия, вызовут в этой системе процессы, которые стараются ослабить внешнее воздействие и возвратить систему в исходное равновесное состояние.
Стабильность биосферы - возможность биосферы сохранять свое состояние, противостоять внутренним и внешним возмущениям, включая любые антропогенные воздействия, путем выработки в ней саморегулирующих механизмов.
|
|
|
