Тема 7. Структура природного середовища. Природні ресурси

Літосфера – це зовнішня тверда оболонка Землі, яка включає всю земну кору й частину верхньої мантії Землі і складається з осадових (глина, вапняки, сланці), магматичних (граніт, базальт, туф, кальцит, доломіт) і метаморфічних (кварцит, мармур, тальк, польовий шпат, слюда) порід.

Верхня межа літосфери – земна кора – найважливіший ресурс для людства. Вона містить горючі корисні копалини (вугілля, нафта, горючі сланці), рудні (залізо, алюміній, мідь, олово і ін.) і неметалічні (фосфорити, апатити та ін.) корисні копалини.

Товщина кори під континентами становить у середньому 35-40 км. Там, де на суші розташовані молоді високі гори, вона часто перевищує 50 км (наприклад, під Гімалаями досягає 90 км). Під океанами кора тонка – у середньому близько 7-10 км, а в деяких районах Тихого океану – всього 5 км. Межі земної кори визначаються по швидкості поширення сейсмічних хвиль. Сейсмічні хвилі дають інформацію про властивості мантії. Встановлено, що верхня мантія складається, головним чином, з силікатів магнію і заліза. Склад нижньої мантії залишається загадкою, проте висловлюється припущення, що вона містить оксиди магнію і кремнію. Висновки про склад земного ядра були зроблені на підставі не тільки аналізу сейсмічних хвиль, але і розрахунків щільності і вивчення складу метеоритів. Вважається, що внутрішнє ядро являє собою твердий сплав заліза і нікелю. Зовнішнє ядро, мабуть, рідке і має дещо меншу щільність. Деякі фахівці вважають, що воно містить до 14% сірки.

Нижня межа літосфери нечітка й визначається за різким зменшенням в'язкості порід, збільшенням їхньої щільності та іншими геофізичними характеристиками. Товщина літосфери на континентах і під океанами різниться й становить відповідно 25-200 і 5-100 км. найглибші шахти, пройдені людьми, сягають глибин 3-4 км, найглибша в світі свердловина (пройдена на Кольському півострові) досягла глибини 12 км Про стан і будову більш глибоких зон літосфери нам відомо лише на основі побіжних методів, таких як сейсмічна та електророзвідка, гравіметрія тощо

Ґрунт – поверхневий шар літосфери Землі, що володіє родючістю і представляє собою поліфункціональну гетерогенну відкриту чотирьохфазну (тверда, рідка, газоподібна фази і живі організми) структурну систему, що утворилася в результаті вивітрювання гірських порід і життєдіяльності організмів. Її розглядають як особливу природну мембрану (біогеомембрану), що регулює взаємодію між біосферою, гідросферою і атмосферою Землі. Ґрунти є функцією від клімату, рельєфу, вихідної ґрунтостворюючої породи, мікроорганізмів, рослин і тварин (тобто біоти в цілому), людської діяльності і змінюються з часом.

Екологічне значення літосфери величезне. По-перше, на її поверхні живе більшість рослинних і тваринних організмів, у тому числі й людина. По-друге, верхня тонка оболонка літосфери на материках – це ґрунти, що забезпечують умови для життя рослин і є основною умовою для отримання продуктів харчування людей. По-третє, літосфера є джерелом отримання корисних копалин – енергетичної сировини, руд металів, мінеральних добрив, будівельних матеріалів і т. д. У межах літосфери періодично відбувалися і відбуваються грізні екологічні процеси (виверження вулканів, землетруси, зсуви, селі, обвали, ерозія земної поверхні), які мають величезне значення для формування екологічних ситуацій в певних ділянках планети, а іноді призводять до глобальних екологічних катастроф.

Атмосфера – це газова оболонка Землі з містяться в ній аерозольними частинками, що рухаються разом із Землею у світовому просторі як єдине ціле і одночасно бере участь в обертанні Землі.

Своїми атмосферами володіють майже всі планети нашої Сонячної системи, але тільки земна атмосфера здатна підтримувати життя.

Коли 4, 5 мільярда років тому формувалася наша планета, то, по всій видимості, вона була позбавлена атмосфери. Атмосфера була сформована в результаті вулканічних викидів водяної пари з домішками діоксиду вуглецю, азоту та інших хімічних речовин з надр молодої планети. Але атмосфера може містити в собі обмежену кількість вологи, тому її надлишок в результаті конденсації дав початок океанах. Але тоді атмосфера була позбавлена кисню. Перші живі організми, що виникли і розвинулись в океані, в результаті реакції фотосинтезу (H₂O + CO₂ = СН₂О + O₂) стали виділяти невеликі порції кисню, який став потрапляти в атмосферу.

Формування кисню в атмосфері Землі призвело до утворення озонового шару на висотах приблизно 8-30 км. І, тим самим, наша планета набула захист від згубного впливу ультрафіолетового вивчення. Ця обставина послужила поштовхом для подальшої еволюції життєвих форм на Землі, оскільки в результаті посилення фотосинтезу кількість кисню в атмосфері стало стрімко рости, що сприяло формуванню та підтриманню життєвих форм, в тому числі і на суші.

Сьогодні наша атмосфера на 78, 1% складається з азоту, 21% кисню, 0, 9% аргону, на 0, 04% діоксиду вуглецю. Зовсім малі частки порівняно з основними газами складають неон, гелій, метан, криптон.

Атмосфера спричиняє ряд складних екзогенних процесів (вивітрювання гірських порід, діяльність природних вод, мерзлоти, льодовиків та ін.). Для деяких організмів (бактерії, літаючі комахи, птахи та ін.) атмосфера є основним середовищем життя.

На частинки газу, які містяться в атмосфері, діє сила тяжіння Землі. А, враховуючи те, що повітря стискаємо, то його щільність з висотою поступово убуває, переходячи в космічний простір без чіткої межі. Половина всієї маси земної атмосфери зосереджена в нижніх 5 км, три чверті – в нижніх 10 км, дев'ять десятих – в нижніх 20 км 99% маси атмосфери Землі зосереджено нижче висоти 30 км, а це всього 0, 5% екваторіального радіуса нашої планети.

На рівні моря число атомів і молекул на кубічний сантиметр повітря становить близько 2 * 10¹⁹, на висоті 600 км всього 2 * 10⁷. На рівні моря атом або молекула пролітає приблизно 7 * 10^-6 см, перш ніж зіткнутися з іншою частинкою. На висоті 600 км. ця відстань складає близько 10 км. І на рівні моря кожну секунду відбувається близько 7 * 10⁹ таких зіткнень, на висоті 600 км – всього близько одного в хвилину!

Але не тільки тиск змінюється з висотою. Змінюється і температура. Так, наприклад, біля підніжжя високої гори може бути досить жарко, в той час як вершина гори вкрита снігом і температура там у той же час нижче нуля. А варто піднятися на літаку на висоту приблизно 10-11 км, як можна почути повідомлення про те, що за бортом -50 º С, у той час як у поверхні землі на 60-70 градусів тепліше.

Спочатку вчені припускали, що температура з висотою зменшується до тих пір, поки не досягає абсолютного нуля (-273, 16 °C). Але це не так.

Атмосфера Землі складається з чотирьох шарів: тропосфера, стратосфера, мезосфера, іоносфера (термосфера). Таке поділ на верстви прийнято і виходячи з даних про зміну температури з висотою. Самий нижній шар, де температура повітря падає з висотою, назвали тропосферою. Шар над тропосферою, де падіння температури припиняється, змінюється ізотермією і, нарешті, температура починає підвищуватися, назвали стратосферою. Шар над стратосферою, в якому температура знову стрімко падає – це мезосфера. І, нарешті, той шар, де знову починається ріст температури, назвали іоносферою або термосферою.

Тропосфера простягається в середньому в нижніх 12 км. Саме в ній відбувається формування нашої погоди. Найвищі хмари (перисті) утворюються у самих верхніх шарах тропосфери. Температура в тропосфері з висотою знижується адіабатично, тобто зміна температури відбувається внаслідок зменшення тиску з висотою. Температурний профіль тропосфери багато в чому обумовлений надходить до поверхні Землі сонячної радіацією. В результаті нагрівання поверхні Землі Сонцем формуються конвективні і турбулентні потоки, спрямовані гору, які формують погоду. Варто зауважити, що вплив підстилаючої поверхні на нижні шари тропосфери поширюється до висоти приблизно 1, 5 км. Звичайно, виключаючи гірські райони.

Верхньою межею тропосфери є тропопауза – ізотермічний шар. Згадайте характерний вигляд грозових хмар, вершина яких являє собою «викид» перистих хмар, званих «ковадлом». Ця «ковадло» як раз і розтікається» під тропопаузою, оскільки з-за ізотермії висхідні потоки повітря значно слабшають, і хмара перестає розвиватися по вертикалі. Але в особливих, рідкісних випадках, вершини купчасто-дощових хмар можуть вторгатися в нижні шари стратосфери, долаючи тропопаузу.

Висота тропопаузи залежить від географічної широти. Так, на екваторі вона знаходиться на висоті приблизно 16 км, і її температура становить близько -80°C. На полюсах тропопауза розташована нижче – приблизно на висоті 8 км. Влітку температура тут становить -40°C -60°C взимку. Таким чином, незважаючи на більш високі температури в поверхні Землі, тропічна тропопауза набагато холодніше, ніж біля полюсів.

Далі в стратосфері температура з висотою не знижується, а навпаки, зростає, поки не досягає в залежності від сезону і широти -30°C...+20°C на висоті приблизно 48 км. Таке зростання температури обумовлений взаємодією ультрафіолетового випромінювання з озоновим шаром, який розташовується якраз в стратосфері. До речі, стратосфера також впливає на погоду. Останнім часом з'явилися дослідження, які вказують на зв'язок параметрів стратосфери з аномаліями приземної температури. Ймовірно, розвиток цих досліджень дозволить вченим розробити більш досконалі і точні методи довгострокового прогнозу температурних аномалій у поверхні Землі (на 30-40 діб).

Варто додати, що в стратосфері різко зменшується кількість водяної пари, зате зростає вміст озону. Таким чином, формується очевидний контраст між вологою і бідної на озон тропосферою і сухий, але зате багатого на озон стратосферою.

Незважаючи на сухість стратосфери, в холодну пору року у високих широтах в ній все-таки можуть утворюватися хмари на висотах від 17 до 30 км.

Стратосфера простягається приблизно до 48 км над поверхнею нашої планети і разом з тропосферою становить 99, 9% нашої атмосфери. Верхньою межею стратосфери є стратопауза.

Над стратопаузою температура знову починає знижуватися. Цей шар називається мезосферою і розташований в середній атмосфері. У верхніх шарах мезосфери температура падає до -90°C. У мезосфері народжується таке красиве світлове явище в атмосфері, як спалахи метеорів. Тому, спостерігаючи «падаючі зірки», пам'ятаєте, що це явище ми бачимо в мезосфері.

Також у верхніх шарах мезосфери формуються загадкові сріблясті хмари, які в північній півкулі Землі можна спостерігати короткими літніми ночами з травня по серпень над північним горизонтом. Закінчується мезосфера мезопаузою на висоті приблизно 85 км. У високих широтах температура мезопаузи змінюється від -120°C влітку до -50° взимку.

У літні місяці з збільшенням вертикальних температурних градієнтів (вектор, своїм напрямком вказує напрямок найшвидшого зростання деякої величини) в мезосфері над високими широтами, в т. ч. з-за досягнення максимальної температури стратопаузи внаслідок максимального притоку сонячної радіації, формуються висхідні потоки, які призводять до утворення тонких хмар, званих сріблястими. Сріблясті хмари формуються у верхній мезосфері на висоті приблизно 80 км над поверхнею Землі.

Верхній шар атмосфери називається іоносферою (термосферою). Тут температура знову починає зростати, причому до значних значень (до 500-1000° С в залежності від сонячної активності). Добові коливання температури тут складають сотні градусів. Але повітря тут настільки розряджений, що поняття «температури» в нашому розумінні тут мало що значить. В іоносфері відбуваються такі прекрасні природні явища, як полярні сяйва.

Висота термопаузи залежно від сонячної активності змінюється від 200 до 500 км. Вище за 500 км визначення температури є дуже складним завданням з-за крайньої розрідженості цих самих верхніх меж земної атмосфери.

Атмосфера має величезне екологічне значення. Вона захищає живі організми від згубного впливу космічних випромінювань та ударів метеоритів, регулює сезонні і добові коливання температури, є носієм тепла і вологи. Якби на Землі не існувало атмосфери, то добові коливання температури на ній досягли б ±200 º С. В атмосфері відбувається фотосинтез та обмін енергії й інформації – основні процеси біосфери.

Гідросфера – це водна сфера нашої планети, сукупність океанів, морів, вод континентів, льодовикових покривів. Загальний об'єм природних вод становить близько 1, 39 млрд. км³ (0, 025% усієї маси Землі). Води вкривають 71 % поверхні планети (361 млн. км2). Проте абсолютна більшість цієї колосальної маси - це гірко-солона морська вода, непридатна для пиття та технологічного використання. Прісна вода на планеті становить лише 2 % від її загальної кількості, причому 85 % її зосереджено в льодовикових щитах Гренландії й Антарктиди, айсбергах і гірських льодовиках. Лише близько 1 % прісної води – це річки, прісноводні озера й деяка частина підземних вод; саме ці джерела й використовуються людством для своїх потреб.

Для величезної кількості живих організмів, особливо на ранніх етапах розвитку біосфери, вода була середовищем зародження та розвитку. Хімічний склад морської води дуже схожий на склад людської крові – містить ті ж хімічні елементи й приблизно в тих же пропорціях. Це – один з доказів того, що предки людей, як і інших ссавців, колись жили в морі.

Величезну роль грають води в формуванні поверхні Землі, її ландшафтів, у розвитку екзогенних процесів (схилових, карстових), перенесення хімічних речовин вглиб Землі та на її поверхні, транспортуванні забруднювачів навколишнього середовища.

Солоність океанічних вод становить 35 ‰ (тобто в 1 л океанічної води міститься 35 г солей). Найбільш солона вода в Мертвому морі – 260 ‰ (людина вільно лежить на поверхні цієї води, не занурюючись в неї), у Чорному морі – 18 ‰, Азовському – 12 ‰.

Хімічний склад підземних вод дуже різноманітний. За мінералізацією вони змінюються від прісних, що використовуються для пиття й водопостачання, до мінералізованих і навіть до ропи з солоністю 600 ‰; деякі мінералізовані підземні води мають лікувальні властивості.

Основним джерелом водопостачання для людства є річковий стік. Перше місце за цим показником посідає Бразилія з її гігантською повноводою річкою Амазонкою. Річковий стік складає в середньому 83, 5 млрд. м3, а в посушливі роки зменшується до 48, 8 млрд. м3. Річковий стік розподіляється по території нашої держави нерівномірно: 70 % стоку припадає на Південно-Західний економічний район, де мешкає лише 40 % населення. А на Донецько-Придніпровський та південний економічні райони, де живе 60 % населення й зосереджені найбільш водоємні галузі народного господарства, припадає лише 30 % стоку. У зв'язку з цим у багатьох районах півдня України відчувається гострий дефіцит води, для ліквідації якого доводиться перекидати воду каналами, будувати водосховища тощо.

Головним постачальником води для України є Дніпро. Інші річками, що забезпечують потреба у воді – Дунай, Дністер, Південний Буг, Тиса, Прут та ін. Стан води й повноводдя цих водних артерій залежать головним чином від стану їх притоків – малих річок, яких в Україні налічується близько 63 тис. Вони мають величезне значення - досить згадати, що 90 % населених пунктів республіки розташовані саме в долинах малих річок і користуються їхньою водою. Однак стан малих річок України викликає сьогодні велику тривогу. Понад 20 тис. їх вже зникло, пересохло. Це невідворотно веде до деградації великих річок, тому проблема їх збереження та оздоровлення - одна з найгостріших для нашої молодої держави.

Підземні води України мають не менше значення для забезпечення водою населення. Досить зазначити, що близько 70 % населення сіл і селищ міського типу задовольняє свої потреби в питній воді за рахунок ґрунтових вод (колодязі) чи глибших водоносних горизонтів (свердловини). Стан підземних вод України в цілому кращий, ніж поверхневого стоку, хоча місцями спостерігається забруднення їх стоками промислових підприємств, тваринницьких комплексів і т. д. В деяких промислових районах (Донбас, Кривбас) розвиток шахт і кар'єрів негативно впливає на якість і запаси підземних вод. За рахунок багаторічної відкачки води з цих об'єктів їхній рівень дуже знизився, а з деяких водоносних горизонтів вода зникла зовсім.

Вода виконує дуже важливі екологічні функції:

а) є найважливішою мінеральною сировиною, головним природним ресурсом споживання (людство використовує її в тисячу разів більше, ніж вугілля чи нафти);

б) є основним механізмом здійснення взаємозв'язків усіх процесів у екосистемах (обмін речовин, тепла, ріст біомаси);

в) є головним агентом-переносником глобальних біоенергетичних екологічних циклів;

г) є основною складовою частиною всіх живих організмів (тіло людини, наприклад, на 70 % складається з води, а деякі організми, такі, як медуза чи огірок, містять у собі від 98 до 99 % води);

д) води Світового океану є основним климатостворюючим фактором, основним акумулятором сонячної енергії і «кухнею» погоди для всієї планети.

Природні ресурси – сукупність об'єктів і систем живої і неживої природи, компоненти природного середовища, що оточують людину і які використовуються в процесі суспільного виробництва для задоволення матеріальних і культурних потреб людини і суспільства.

Був час, коли природні ресурси здавалися безмежними по відношенню до нечисленному людському суспільству, природні екосистеми справлялися з навантаженнями без виникнення помітних порушень у біосфері. Грізні симптоми проявилися близько двадцяти років тому, коли в деяких країнах вибухнула енергетична криза. Стало ясно, що ресурси енергоносіїв обмежені. В даний час серйозні проблеми виникли і з багатьма іншими природними ресурсами.

Класифікація природних ресурсів:

1. за походженням:

- ресурси природних компонентів (мінеральні, кліматичні, водні, рослинні, ґрунтові, тваринного світу);

- ресурси природно-територіальних комплексів (горничопромислові, водогосподарські, селітебні, лісогосподарські).

2. за видами господарського використання:

- ресурси промислового виробництва;

- енергетичні ресурси (горючі корисні копалини, гідроенергоресурси, біопаливо, ядерну сировину);

- неенергетичні ресурси (мінеральні, водні, земельні, лісові, рибні ресурси);

- ресурси сільськогосподарського виробництва (агрокліматичні, земельно-ґрунтові, рослинні ресурси - кормова база, води зрошення, водопою і змісту).

3. по виду вичерпності:

- вичерпні – це ресурси, кількість яких невпинно зменшується по мірі їх видобутку або вилучення з природного середовища. Вони в свою чергу діляться на:

* відновлювані природні ресурси здатні (через розмноження або інші природні цикли відновлення) до самовідновлення за терміни, співмірні з термінами їх споживання (чисте повітря, вода, рослинність, тваринний світ). Але завжди треба пам'ятати, що якщо темпи використання буду перевищувати темпи відновлення, вони теж можуть зникнути;

* невідновлювані (корисні копалини), які або взагалі не заповнюються в результаті природних процесів (залізо, мідь, алюміній), або їх запаси заповнюються повільніше, ніж відбувається їх споживання (нафта, вугілля, горючі сланці);

* не повністю поновлювані - ґрунт, деяка мінеральна сировина, дерева великого віку. Сантиметровий шар родючого ґрунту створюється живими організмами і процесами неорганічної природи протягом століть. Деякі мінеральні ресурси, наприклад солі, повільно осідають в озерах і морських лагунах.

- невичерпні – кількісно невичерпна частина природних ресурсів (енергія Сонця, вітру, морські припливи, поточна вода). Іноді сюди відносять і атмосферу і гідросферу, хоча при значних забрудненнях вони можуть переходити в категорію вичерпних.

4. по ступеню замінності:

- незамінні – природні ресурси, які не можуть бути замінені іншими (вода, світло, ґрунт);

- замінні – природні ресурси, які можуть бути замінені іншими наприклад, мінеральне паливо – сонячною, термоядерною або геотермальною енергією і ін.).

5. за критерієм використання:

- виробничі (промислові, сільськогосподарські);

- потенційно-перспективні (цілинні і перелогові землі);

- естетичні;

- рекреаційні (охорони здоров'я), що забезпечують відпочинок і відновлення здоров'я і працездатності людини;

- наукові – особливо охоронювані природні території, призначені для збереження і розмноження зразків (еталонів) незайманих біогеоценозів та ін.

При цьому часто діє правило інтегрального ресурсу – коли використання його в одних цілях утруднює або виключає використання в інших. Якщо в озеро спускають відходи виробництва, навіть більш або менш очищені, то це утруднює використання його з метою рибальства та оздоровлення населення.

Сучасні темпи економічного розвитку загострили проблему обмеженості природних ресурсів, виникла необхідність підвищення екологічних вимог до економіки. Саме економічний розвиток, з одного боку, породжує ряд гострих екологічних проблем, а з іншого – в самому економічному розвитку закладена основа для вирішення цих проблем. Розкрити суть протистояння економіки та екології – означає зрозуміти зв'язок суспільного виробництва і навколишнього середовища, так як без того й іншого людство не може існувати. Високі темпи економічного зростання і підвищення народного добробуту повинні поєднуватися із збереженням і безперервним поліпшенням навколишнього природного середовища.

Напрями раціонального використання і охорони природних ресурсів побудовані на наступних правилах:

1) темпи споживання відновлюваних ресурсів не повинні перевищувати темпів їх самовідновлення;

2) темпи споживання невідновлюваних ресурсів не повинні перевищувати темпів їх заміни відновлюваними ресурсами;

3) гранична інтенсивність надходження в природне середовище забруднюючих речовин з викидами, стічними водами і відходами не повинна перевищувати темпів їх переробки і знешкодження природних, водних і наземних екосистемах.

Охорона і відновлення природних ресурсів неможливі без локального та глобального екологічного моніторингу – вимірювання та контролю їх стану, розширення та збільшення кількості заповідних зон, унікальних природних комплексів, відновлення лісів, ефективної, максимально глибокої переробки вже видобутих корисних копалин, розвитку безвідходного виробництва.