Земля как источник возникновения и развития жизни

1. Литосфера как абиотическая основа жизни.

2. Экологические функции литосферы: ресурсная, геодинамическая, геофизико-геохимическая.

3. Естественнонаучные проблемы сохранения окружающей среды.

4. Географическая оболочка Земли.

4.1. Литосфера как абиотическая основа жизни

Земля является как космическим телом, так и природной системой. Она занимает особое место среди планет Солнечной системы. Это происходит не только потому, что она является нашей обителью и единственной, как мы считаем сегодня, из планет, где существует разумная жизнь, а в силу ряда труднообъяснимых причин и обстоятельств.

Во-первых, результаты проведенных в последние десятилетия фундаментальных исследований эволюции атмосферы Земли и состояния земного покрова показывают, что на тех планетах Солнечной системы, где ранее предполагалась возможность существования некоторых форм жизни (прежде всего на Венере и Марсе), она попросту не могла возникнуть. Как оказалось, «зона обитания» вокруг Солнца – это сфера «толщиной» не более 10 млн. км находящаяся на расстоянии примерно 150 млн. км от нашего светила, т.е. именно там, где расположена орбита Земли.

Во-вторых, расчеты показывают, что в прошлом лишь 1°С отделял нашу Землю от полного обледенения. Находись наша планета дальше от Солнца всего на 2 млн. км – и интенсивный процесс образования ледников сделал бы развитие высших форм жизни невозможным. Нечто подобное случилось в свое время с Марсом, где под сухой поверхностью, видимо, залегли мощные ледники.

В-третьих, проведенные исследования значительно сокращают число планет в Галактике, на которых можно предполагать наличие тех или иных форм жизни. Выходит, что жизни на Земле повезло. Наше Солнце ведет себя на редкость спокойно, тогда как другие звезды вспыхивают, угасают, пульсируют, причем на протяжении чуть ли не миллиардов лет. Каждую минуту на квадратный сантиметр земной поверхности поступает 1, 95 кал, солнечного тепла, или 0, 136 Вт/см². Эта величина называется солнечной постоянной,

В-четвертых, как известно, Солнце притягивает свои спутники. Каждому небесному телу, вращающемуся вокруг Солнца, необходимо уложиться в четкие границы между скоростью «падения» и скоростью «убегания». Все вышеизложенное имеет самое прямое отношение и к нашей планете. Так, например, скорость меньше 3 км/с для Земли – это гибель в солнечном пламени, а скорость, превышающая 42 км/с, – прощание с Солнечной системой, вечный мрак и холод. Скорость нашей планеты является промежуточной между этими крайними значениями и составляет около 30 км/с.

В – пятых, нашу планету по обилию природных ресурсов, по богатству организмов, существ и животных в обрамляющей Землю пленке жизни специалисты по космическим системам жизнеобеспечения по праву называют гигантским космическим кораблем, идеально экипированным для практически бесконечных орбитальных полетов миллиардов пассажиров. Действительно, на Земле в отличие от других планет Солнечной системы дифференцирование материи и форм ее движения, продвинулось значительно дальше и увенчалось зарождением и расцветом жизни, появлением разумных существ.

На нашей планете в распоряжении человеческого общества находятся практически неисчерпанные источники для производства пищи, энергии и материала, а также самообновляющаяся в ходе биологического круговорота экологическая среда, адекватная природе человека. Вновь можно задать вопрос, «случайное» или «закономерное» благоприятное для нас событие реализовалась на Земле?...

В-шестых, горение – это сложный химический процесс, и он происходит далеко не при любых условиях. Если бы количество кислорода в атмосфере Земли было менее 15-18 %, то процесс горения стал бы в ней просто невозможным. С другой стороны, если бы концентрация кислорода в земной атмосфере превышала величину 30-70%, то первый же удар молнии мог привести к катастрофическим последствиям. Кроме того, малое количество кислорода существенно замедлило бы развитие разумных существ со сложным строением.

И все же почему для процесса горения необходимы столь жесткие условия? Каким образом они были реализованы: естественным или искусственным?

В-седьмых, к настоящему времени, можно сказать, однозначно установлено, что современная жизнь на нашей планете существует при наличии целого комплекса уникальных условий и параметров. Земная атмосфера состоит из смеси различных газов, которые на уровне моря по объему занимают: азот – 78%, кислород – 20%, аргон – 1%, углекислый газ – 0, 03%. Остальные компоненты – водород, гелий, ксенон, криптон, метан, неон и другие – составляют миллионные доли процента. Особо важное значение име­ют такие переменные по объему составляющие, такие как водяной пар и озон.

В-восьмых, около 59% энергии солнечного излучения поглощается атмосферой и земной поверхностью и в дальнейшем, после целого ряда превращений, излучается в мировое пространство в инфракрасной области спектра. Озонный пояс в верхних слоях атмосферы служит надежным щитом, сохраняющим все живое на планете от смертельного жесткого ультрафиолетового излучения Солнца. Кроме того, инфракрасное излучение Земли сильно поглощается водяным паром, углекислотой и озоном. Этот так называемый парниковый эффект также имеет огромное значение: без него средняя температура земной поверхности была бы на 40°С ниже и жизнь на Земле стала бы невозможной.

В-девятых, известно, что ход биологических реакций, составляющих суть жизнедеятельности любого организма, регулируют ферменты. Одни из них могут работать в широком интервале температур, другие требуют стабильности. Среди этих термических консервантов – ферменты, которые регулируют дыхание, пищеварение, обмен веществ, т. Е. ключевые процессы жизни.

Эволюция распорядилась так, что максимальную активность эти ферменты проявляют чаще всего в интервале температур от 30 до 40°С. Если температура ниже, то они не действенны, если выше – разрушаются. Потому эта температура и является нормальной для человека и семейства теплокровных животных, к которым относятся млекопитающие и птицы.

Ясно одно, что на Земле созданы практически идеальные условия для развития жизни.

Литосферой, как нам уже известно, называется земная кора и верхняя твердая часть мантии. Именно взаимодействие ее слоев с гидросферой и дало предпосылки для возникновения живых организмов.

Гидросфера — водная оболочка Земли, покрывает земной шар лишь на 70 % его поверхности. К гидросфере относятся Мировой океан и воды суши: реки, озера, подземные воды, горные и покровные ледники. Все они связаны между собой в планетарном процессе круговорота воды, газов и минеральных солей.

Самое большое скопление воды на поверхности Земли — это океан. Он является основным водохранилищем нашей планеты. Испаряющаяся с его поверхности влага переносится ветрами на материки и выпадая в виде осадков, орошает землю, питает реки, подземные воды и горные ледники.

Мировой океан делится материками и островами на отдельные океаны, моря, проливы и заливы. До последнего времени Мировой океан делили на четыре океана: Тихий, Атлантический, Индийский и Северный Ледовитый. Изучение структуры водных масс океанов и их динамики привело ученых к убеждению, что часть Мирового океана вокруг Антарктиды и до южных оконечностей Азии, Австралии, Африки и Южной Америки целесообразно выделять в качестве отдельного (пятого) океана и называть его Южным.

По сравнению с площадью материков площадь Мирового океана огромна. Один только Тихий океан больше площади всей суши. В Северном полушарии Земли водой занято 60 % его поверхности, в Южном — 80 %. Площадь окраинных и средиземных морей составляет около 10 % площади всего Мирового океана. Общий объем воды в океанских бассейнах — 1370 млн. км³. Объем воды в морях составляет менее 3 процентов объема воды в океане. Средняя глубина океана — 3795 м, открытых окраинных морей — 874 м, средиземных морей — 1289 м. Наибольшая глубина океана обнаружена в Марианском желобе и составляет 11 022 м.

Средняя концентрация солей в океане — 35 г на 1 кг воды, (или 35 про- илле). На поверхности океана, в областях сильных испарений, соленость может быть больше, чем в глубинных слоях, а в областях обильных дождей— меньше. Она может быть значительно меньше обычной также у берегов, при смешивании с речной водой. Например, в поверхностных слоях Белого моря соленость составляет не более 26%, Черного моря — 18%, Балтийского — 6— 8%, Азовского — 11%, а на поверхности Красного моря, в которое не впадает ни одна река и где испарение велико, соленость достигает 40%.

Установлено, что состав и относительное содержание различных солей в Мировом океане повсюду неизменны. Это является следствием наличия мощных морских и океанических течений. Но непрерывный обмен веществ происходит не только между отдельными частями Мирового океана, но и между океаном, атмосферой и сушей. Подсчитано, что за год вместе с брызгами воды, подхватываемыми ветрами, выносится на сушу 300 — 400 тыс. т солей. В свою очередь, с суши за счет речных стоков ежегодно выносится в океан в среднем 3, 3 млн. т растворенных веществ. Половина этого количества осаждается на дне океана.

В Мировом океане зародилась жизнь. В частности, растительность, возникшая в нем, обогатила атмосферу кислородом и сделала ее пригодной для жизни животных. Деятельность растительных организмов, произрастающих в океане и разлагающих воду на водород и кислород, и поныне остается главным источником свободного кислорода для атмосферы.

Уже более трех миллиардов лет происходит эволюция организмов. Они непрерывно поглощают необходимые для жизни растворенные в воде вещества и создают из них сложные органические соединения. В свою очередь, морские организмы, перемещаясь в воде (порой на большие расстояния) и выделяя продукты обмена веществ, оставляют повсюду следы своей жизнедеятельности, а умирая, превращаются в органические остатки. Последние при соединении с растворенным в воде кислородом восстанавливают первоначальные минеральные соли.

Морские животные и растения обладают удивительной способностью: они накапливают в своих организмах взятые из воды медь, цинк, ванадий, железо и другие элементы. Это приводит к тому, что их концентрация в тканях организмов в сотни и тысячи раз выше, чем в морской воде. Некоторые соли и многие рассеянные и редкие химические элементы при отмирании организмов выпадают из круговорота, опускаются на дно и образуют там мощные слои донных осадков. При этом они частично переходят в состав минеральных соединений. Таким образом, донные осадки представляют собой в основном илы, образованные известковыми и кремнистыми остатками организмов — их скелетами и раковинами.

Во всех природных водах в растворенном состоянии содержатся азот, кислород, углекислый и другие газы. Количество газов, способных растворяться в морской воде, зависит от ее солености, гидростатического давления и температуры. Чем больше соленость и выше температура, тем меньше газов растворяется в морской воде, и наоборот.

Кислород, растворенный в океанской воде, берется из воздуха или является результатом фотосинтеза растений, произрастающих под водой. Онрасходуется на дыхание живых организмов и окисление органических остатков. Углекислый газ, растворенный в воде, берется из воздуха или выделяется при дыхании организмов и окислении органических остатков. Он используется растениями при фотосинтезе. Растения и бактерии, живущие в воде, извлекают из углекислого газа на построение своих тканей около 100 млрд. т углерода в год.

Таким образом, в холодных (полярных) областях планеты океан извлекает кислород, и углекислый газ из воздуха, газы растворяются в воде, и течения переносят их в тропики и глубинные слои. Кислород в глубинных слоях обеспечивает условия жизни животных и растений. Углекислый газ в тропиках выделяется в атмосферу. Так как содержание углекислого газа в атмосфере в 60 раз меньше, чем в океане, то последний можно рассматривать как хранилище запасов углекислого газа.

Воды Мирового океана служат для химических элементов средой превращений, с одной стороны, и транспортным средством, с другой. В результате многих химических и биохимических преобразований вещества находятся в нем в растворенном, коллоидном и взвешенном виде, свободном состоянии и в соединениях. Это означает, что Мировой океан является «геохимическим реактором». Этот реактор работает на тепловой и световой энергии Солнца.

Мировой океан является также и аккумулятором тепла. Около 95 % его

вод имеют среднюю температуру 3, 8⁰С. Эта температура в современных климатических условиях остается практически неизменной.

Но на поверхности океана и в глубине в разных его областях температура воды существенно различна. В экваториальной зоне вода нагрета до 25-26 ⁰С, а в приполярных областях ее температура бывает ниже нуля (в воде с соленостью 35% лед образуется при температуре –1, 9⁰С).

Литосфера, как биотическая основа жизни тесно, неразрывно связана с гидросферой. По коацерватной теории, которая будет нами рассмотрена позже, жизнь зародилась (или продолжилась при попадании из космоса) именно в водной среде. Однако, существенную роль при этом играла сама суша, продукты вулканической деятельности, гейзеры и проч. Дальнейшее же развитие живых организмов пошло по двум основным рукавам (при наличии промежуточных видов) – организмов, живущих на суше и организмов живущих в воде. Именно благодаря перечисленным положениям литосфера и может быть названа биотической основой жизни.

В таблицу 2 сведены основные геологические периоды развития Земли, указана их приблизительная длительность и характерные особенности в области возникновения и формирования живых организмов. Последний, четвертичный период, связан, прежде всего, с развитием и становлением человека как самостоятельного вида.

Геологические периоды Земли и их особенности. Табл. 2.

Дополнением к данным, приведённым в табл.2 служит информация, собранная в табл.3. В ней указаны как эры и периоды в развитии Земли, так и отражено время зарождения и эволюции различных групп организмов. Эта информация позволяет самостоятельно оценивать эволюционные процессы в органическом мире с позиций глобального эволюционизма.

Табл. 3.

Развитие и эволюция живых организмов в различные геологические периоды Земли.

4.2. Экологические функции литосферы: ресурсная, геодинамическая, геофизическая, геохимическая

Литосфера, как часть поверхности Земли, на которой существует человек, подвергается его наибольшему воздействию. К сожалению, чаще всего человек разрушает сложившееся равновесное состояние геобиоценозов. Экологические функции литосферы прежде всего связаны с ресурсной деятельностью человека, с динамикой континентов, с физическими и химическими процессами, происходящими в ней.

Для человечества недра Земли являются кладовой полезных ископаемых. Их добыча из года в год растет, и в настоящее время человечество ежегодно извлекает из недр Земли более 1 млрд. т железной руды, более 3 млрд. т нефти, более 2, 5 млрд. т угля, миллиарды тонн строительных и других материалов. Комплекс отраслей производства по разведке месторождений полезных ископаемых, их добыче из недр Земли и первичной обработке — обогащению — относится к горнодобывающей промышленности. В зависимости от вида ископаемого она делится на топливодобывающую (нефтяная, добыча природного газа, угольная, сланцевая, торфяная), рудодобывающую (железорудная, марганцево-рудная, добыча руд цветных, благородных и редких металлов, радиоактивных элементов), промышленность неметаллических ископаемых и местных стройматериалов (добыча мрамора, гранита, асбеста, мела, доломита, кварцита, каолина, глины, гипса, мергеля, полевого шпата, известняка), горно-химическую (добыча апатита, калийных солей, нефелина, селитры, серного колчедана, борных руд, фосфатного сырья), гидроминеральную (минеральные подземные воды, водоснабжение), алмазодобывающую.

В качестве примера остановимся на топливодобывающей промышленности. Ежедневно человечество расходует на 0, 02 % больше энергии, чем накануне. Каждые 13 лет потребность в ней удваивается. Развитие энергетики в значительной степени стимулирует промышленную мощь любой страны, уровень благосостояния ее жителей. Каждый новый процент увеличения электроэнергии дает, например, один процент прироста производительности труда. В большинстве стран мира жизненный уровень людей прямо пропорционален их энергопотреблению.

Это во многом предопределяет нынешнее интенсивное развитие мировой топливно-энергетической индустрии, при которой «львиная доля» отводится нефти, газу и каменному углю. Так, в середине 1980-х годов мировой энергобаланс складывался на 46 % из нефти, на 19 % из газа, на 26 % из угля (всего 91 %), остальные 9 % занимали гидроэнергетика (6 %), ядерная (2 %) и другие виды энергии (1 %). За последнее пятилетие появилась тенденция к некоторому снижению доли нефти, но к увеличению роли каменного угля, гидро- и ядерной энергетики.

Если представить годовую добычу нефти в России в виде непрерывного потока, то этот поток следует разделить на четыре рукава. Один из них- экспортный ручей, утекающий за рубеж и возвращающийся в виде конвертируемой валюты. Второй — ручей, также, к сожалению, утекающий за рубеж и представляющий собой нефтепродукты, которые мы отдаем кредиторам или дружеским странам в счет долгосрочных обязательств. Третий ручей — это потери, происходящие при транспортировке, хранении нефти и нефтепродуктов. Считается нормой, если от годовой добычи теряется два процента.

Что же остается от нефтяной реки, нам, для внутренних нужд страны? В лучшем случае, это 65 % от общегодового объема добычи, то есть примерно 400 млн. т нефти. Для сравнения, США потребляют в год порядка 750 млн. т нефти, из которых 455 млн. т добывают (у себя (в 1987 году) и около 300 млн. т импортируют. Для прогрессивного развития экономики и повышения производительности труда России необходимо иметь для своих нужд не менее 500 млн. т нефти в год. И это, при соблюдении строжайшей экономии, в использовании нефтепродуктов, чего, к сожалению, пока мы не научились делать. С внедрением нефти и газа роль каменного угля как энергоносителя заметно поблекла. Однако в последнее время о каменном угле снова заговорили как об альтернативе истощающимся углеводородам. Главный козырь в том, что запасы угля огромны — 10¹² т. На его долю приходится свыше 80 % ресурсов биологического ископаемого топлива, тогда как на нефть и газ — всего 17 %. Но тепловая станция (в пересчете на 1 ГВт электрической мощности) потребляет в год 8 млн. т угля, при этом выбрасывая в атмосферу около 10 млн. т углекислого газа (СО,) и несколько сот тысяч тонн золы. На наших отечественных теплоэлектростанциях выбросы твердых частиц в 10 раз, а оксидов серы и азота — в 2 – 3 раза больше, чем в развитых странах мира.

Сторонники использования угля в тепловых станциях предлагают его двухстадийное сжигание: первая стадия — получение из угля топливного газа (в основном метана), вторая — утилизация его в топках котлов или камер сгорания газовых турбин. На каждой из этих стадий необходимо обеспечить улавливание оксидов серы и азота. Это связано с созданием новой технологии экологически чистого сжигания каменного угля.

Надо также учитывать последствия интенсивной угледобычи, необходимость рекультивации земель, транспортировку угля и даже возможность радиоактивного загрязнения местности при сжигании угля. Последнее связано с тем, что каменный уголь в ряде примесей содержит такие радиоактивные элементы, как уран, торий, радий, калий. Вместе с дымом они попадают в атмосферу, а потом оседают на Земле. По данным ООН, годовая коллективная доза радиоактивного облучения людей от выбросов всех теплоэлектроцентралей в два раза превышает излучение от всех атомных электростанций. Причем эти оценки сделаны при условии, что степень очистки выбросов от летучей золы составляет не менее 90 %.

Природный газ занимает пока сравнительно скромное место в энергетическом балансе мира — в среднем около 19 %. Мировые запасы его (по данным на 1987 год) — 107 трлн. М³, а годовая добыча составляет примерно 1, 8 трлн. М³. Это означает, что если газ извлекать из недр такими же темпами, как сейчас, то его хватит лет на 60. Это без учета возможного прироста запасов.

В развитых капиталистических странах использование газа в последние годы получило тенденцию к возрастанию. В Японии, например, потребление газа увеличивается ежегодно на 5 %, в Западной Европе — на 6, 5 %. Эта тенденция характерна и для нашей страны: в 1988 году у нас было добыто его 770 млрд. м³, а в 1989 году — почти 800 млрд. м³. Доля газа в энергетическом балансе нашей страны достигла 38 %. Так как в наших недрах находится более 43 % мировых запасов голубого топлива, то в условиях возможного нефтяного кризиса активное использование газа, по всей видимости, вполне разумно. Так как теплота сгорания газа в 1, 5 раза выше, чем угля, то широкое использование его в электро- и тепловых станциях сулит большие выгоды. И в США, и в ряде стран Европы, взят курс на замену бензиновых автодвигателей на газовые, переход значительной части электростанций на природный газ.

Очевидно, именно газ должен стать в нашей стране в обозримой перспективе альтернативой нефти и каменному углю. Чтобы покрыть топливный дефицит, который неизбежно разовьется при падении нефтедобычи, чтобы обеспечить необходимое ежегодное увеличение в потреблении энергии, придется в разумных пределах наращивать газодобычу. Ее доля, вероятно, дойдет до 50 %. Ресурсная база страны позволяет к 2005 году довести добычу газа до 1 трлн. М³ в год и удерживать этот уровень до 2030 — 2040 годов.

Но не обойтись нам и без нефти. Как ни жалко, но в ближайшие 15— 20 лет вряд ли удастся полностью изъять ее из топок тепло- и электростанций. По всей вероятности, энергобаланс нашей страны будет удовлетворяться за счет черного золота на четверть. Остальное место займут другие источники энергии. Сейчас во многих странах мира существенно пересматриваются стратегия и тактика использования энергии. Экономное, эффективное потребление энергии позволило там за последние 10 – 15 лет при росте валовой продукции более чем на 30 % увеличить расход энергии лишь на 5 %. Это означает огромную экономию всех видов топлива.

Положение человека в биосфере двоякое: с одной стороны, человек как биологический вид является составной частью биосферы и, как все организмы включен в трофические цепи; с другой стороны, человек, в отличие от других живых существ, имеет не только биологические, но и небиологические потребности (он создает и использует технику, строит здания, прокладывает дороги, печатает книги и т. П.). С точки зрения взаимодействия с биосферой в качестве одного из биологических видов человек является гетеротрофом. Это означает, что он в своем организме не может создавать органические вещества, а должен получать их извне. Кроме того, человек дышит кислородом, пьет воду и, следовательно связан с природой по всем своим биологическим каналам. Однако, он вносит в природу огромные слабоутилизируемые загрязнения, использует все большее пространство.

Существенные негативные последствия получаются благодар я биологической деятельности человека. В настоящее время быстро сокращается площадь популяций диких животных, которые являются резервом потенциально полезных для человека. Стремительно уменьшается разнообразие видов культурных растений и домашних животных. 90% продовольствия растительного происхождения получают из 12 видов растений (в Канаде и США более 70% картофеля и ржи производится на основе 4 сортов, а горох – 2). Аналогично обстоят дела и в области животноводства. При этом следует учитывать, что запаса по болезням и вредителям для зерновых, например, хватает на 5-10 лет. Естественно, что в последнее время остро стала проблема генетического обновления, так как суммарная биомасса человечества и домашних животных возросла до 40% от всех земных животных (1860 г.– 5%, 1940 г. –10%, 1980 г.– 20%, 2000 г. – 40%).

Главной причиной гибели живых организмов является разрушение их среды обитания. При развитии человечества проявляется такое важное противоречие как построение промышленности в виде открытых систем, где природа и источник необходимого, и место размещения вредного. А органические системы являются в значительной степени закрытыми. Поэтому, поддержание экологических функций литосферы требует разумного сочетания двух означенных подходов со смягчением и снятием противоречия между ними. Именно этот факт и вызвал разработку методов замкнутого природопользования (с очищением воды, воздуха, рекультивацией земель и проч.). Однако, на эти мероприятия следует отдавать не менее 2-3% валового национального продукта (ВНП) (Япония тратит до 15% ВНП), так как ущерб ежегодно составляет 3-5%.

Пример значительных экологических проблем, возникших в нашей стране при неправильном использовании гидроресурсов, это заиливание Кубани (слои от 2 до 10 м), пересыхание малых рек, большое количество искусственных водохранилищ, сокращение площади Аральского моря (см. рис.1). Из-за повышенного забора воды на орошение тяжелое положение складывается в Каспийском бассейне. Резко ухудшилось состояние Ладожского озера, Байкала.

Стратегия экстенсивного водопотребления — вовлечение в народное хозяйство все новых и новых водных источников — исчерпала себя. Необходим переход к принципиально новой стратегии использования водных ресурсов, исключающей их дополнительное привлечение. Ученые предлагают строить новую стратегию на основе решения следующих проблем:

• сокращение водопотребления в производстве, переход от технологии очищения и разбавления отходов к малоотходной технологии и технологии оборотного использования воды;

• перестройка ирригационных систем, создание закрытых распределительных каналов, применение принципа капельного орошения;

• перераспределение между регионами промышленного и сельскохозяйственного производства с учетом имеющихся водных ресурсов.

В некоторых странах в настоящее время ставится и решается задача снижения расхода водных ресурсов на единицу конечного продукта.

Необходимо уменьшать и уж во всяком случае контролировать масштабы выброса веществ, загрязняющих воздушную среду. Современные промышленные предприятия, в частности тепловые электростанции и металлургические заводы, выбрасывают в воздух миллионы тонн сернистого ангидрида (двуокиси серы) и окислов азота. В воздухе они легко соединяются с парами воды и вместе с дождями выпадают на землю в виде разбавленной серной и азотной кислоты. При этом с высотой труб увеличивается как число окислов, превращающихся в кислоты, так и то расстояние, на которое эти окислы переносятся.

Кислотные дожди являются в настоящее время одним из наиболее опасных явлений в биосфере. Они уничтожают в озерах, реках, прудах практически все живое — рыб, микроорганизмы, растительность — и превращают их в «мертвые». Особенно высокий уровень кислотности наблюдается в туманах. Иногда она превышает кислотность дождя в 100 и более раз. Так как туманы держатся иногда по несколько часов, то они оказывают крайне вредное воздействие и на людей, и на растительность.

По оценкам экспертов, выбросы сернистого ангидрида в мире составляли в 1950 году 12 млн. т, а в начале 1980-х годов — уже 150 млн. т. В странах Западной Европы приходится на человека около 50 кг выбросов серы в год, а экономический ущерб от кислотных осадков составляет около 4 % валового национального продукта.

Решение этой проблемы связано с отказом от рассеивания газообразных отходов. Их следует не рассеивать, уповая на масштабы атмосферы, а, наоборот, концентрировать и изолировать. Известны технически реальные методы удаления соединений серы из дымовых газов. Например, в Швеции объем выбросов в атмосферу за последние годы удалось уменьшить более чем на 40 %.

Сгорание органического топлива неизбежно приводит к накоплению в атмосфере углекислого газа и уменьшению кислорода. Подсчитано, что расход кислорода на сжигание всех видов топлива составлял: в 1860 году — 1, 3 млрд. т, в 1960 году — 12 млрд. т, а к 2000 году — он может подняться до 57 млрд. т. Уже в настоящее время в воздухе городов отмечается заметное снижение содержания кислорода (ниже 19 %). Снижение содержания кислорода в атмосфере отмечается и в планетарном масштабе: в настоящее время оно составляет в среднем 20, 65 %, а в недалеком прошлом составляло 20, 946 %.

Одновременно со снижением процентного содержания кислорода в атмосфере наблюдается увеличение содержания в ней углекислого газа. Величина годового выброса в атмосферу чистого углерода возросла с 10 млн. т в 1860 году до 5, 3 млрд. т в 1980 году. Концентрация углекислого газа в атмосфере в расчете на 1 млн. частиц воздуха выросла с 315 частиц в 1958 году до 340 частиц в 1982 году и к середине следующего столетия может достигнуть 600 частиц. В результате следует ожидать повышения температуры атмосферы на 3 — 5⁰С. Но тогда могут начаться необратимые процессы: таяние ледников Северного и Южного полюсов, повышение уровня воды в Мировом океане.

Следовательно, в ближайшие десятилетия человечество должно резко ограничить использование органического топлива и предпринять все усилия для перехода к чистым источникам энергии: солнечной энергии, кинетической и тепловой энергии Мирового океана, термальной энергии. Необходимо перейти к контролю за выбросами углекислого газа в атмосферу Земли.

В поддержании равновесия природных систем исключительно велика роль лесов. Они поглощают углекислый газ и восстанавливают кислород, препятствуют нарастанию жесткости климата, оберегают реки и почвы. Считается, что леса в тех регионах, где они могут расти, должны покрывать одну пятую или даже одну четвертую часть территории. Пока же во многих странах, и у нас в том числе, происходит активное уничтожение лесов. Кроме того, леса Европы гибнут от загрязнения воздуха. Заметное угнетение крупных лесных массивов в последние десятилетия отмечается во многих европейских странах. Симптомами этого процесса являются потеря хвои, преждевременный спад листьев, сокращение роста деревьев, загнивание корней и сердцевины стволов.

Не менее остры проблемы сведения лесополос (в том числе и у нас в стране), которые повышают урожайность озимых и яровых культур на 15-20%, а трав – на 45-50%, уничтожения лесов (в Эфиопии за 80 лет с 40% до 3% территории, в Курской, Орловской, Саратовской областях – 5%). Восстановление может занять от 200 до 800 лет.

Существенные трудности вносит химизация, в угоду достижениям которой пренебрегают севооборотом. Например, по данным Мичиганской сельскохозяйственной станции, смыв почв на землях, где практикуется севооборот «кукуруза — клевер — пшеница», составляет лишь 2, 7 т с гектара, а с полей монокультурной кукурузы — 19 т с гектара. Отказ от севооборотов в расчете на эффективность химических удобрений наносит почвам наибольший ущерб. Химия действительно позволяет обеспечивать высокие урожаи, причем в течение ряда десятилетий. Но при этом почвы оказываются ослабленными, и со временем результативность использования химических удобрений снижается. Для поддержания достигнутого уровня урожайности требуется все большее и большее количество удобрений и гербицидов.

4.3. Естественнонаучные проблемы сохранения окружающей среды

Современные биологи и антропологи, как мы уже отмечали, полагают, что биологическая эволюция человека как вида, то есть его видообразование, прекратилось со времени появления «человека разумного». В связи с этим встает вопрос о будущих направлениях развития человека как биологического вида. При ответе на него иногда высказывается мнение, что все виды животных и растений постепенно вымрут вследствие деградации генома (генетической программы развития). По мнению ученых, главная опасность при этом состоит не в старении вида, а во все большем загрязнении биосферы различного рода отходами.

Нарушение гармоничных отношений с природой может иметь опасные и даже трагические последствия для уже живущего и будущих поколений людей. Нарастание числа проблем, связанных с состоянием окружающей среды и истощением ресурсов Земли, кризисы, с которыми столкнулось человечество – следствие и свидетельство неверного пути развития. Чтобы избежать катастрофы, необходимо осознать естественные экологические принципы и правила, которые сегодня разрабатываются экологией человека и социальной экологией.

Экология человека исследует адаптационные возможности его организма. Биологическая опасность для жизни современного человека заключается, во-первых, в том, что он не обладает гомеостазом (гомеостаз – совокупность сложных приспособительных реакций животного организма), соответству­ющим его разнообразным связям с окружающей средой. Так, он не приспособлен к радиации, поскольку защитный механизм боли, являющийся наиболее общим предупреждающим сигналом, не реагирует на облучение. Опасность заключается также в том, что при огромных адаптационных возможностях человека в сравнении с другими видами живых организмов, он все же не поспевают за изменением окружающей среды.

Социальная экология изучает взаимоотношение общества и окружающей среды. Она стремится определить причины появления экологического кризиса. Биология утверждает, что уменьшение биологического разнообразия опасно для устойчивости биосферы, а человек, добиваясь повышения продуктивности, нарушает эти принципы. Он стремится взять как можно больше от природы, природа же стремится не к максимальной продуктивности, а к максимальной устойчивости.

В силу своих родовых качеств человек должен бороться с природой. Но в этой борьбе не может быть победителей, потому что человек является частью биосферы и, уничтожая природу, человек губит самого себя, не замечая этого, как он не замечает радиоактивного излучения.

Окружающей средой является весь мир неорганической материи и живых существ, в котором существует человек. Единицей окружающей природы поначалу считался биоценоз – совокупность растений, насекомых, животных, живущих на одной территории, взаимосвязанных и взаимозависимых. Однако, системный подход и принцип глобального эволюционизма привели к необходимости перехода к понятию биогеоценоза. При этом учитывается и геологическое строение данной территории, и ее история, и цепочки биосуществ.

На первых этапах развития геологические и биологические изменения были связаны прежде всего с космическими процессами, а также с процессами, происходящими в недрах Земли. Однако, по мере накопления вещества в твердой оболочке и зарождении жизни, эти новые образования стали оказывать самостоятельное воздействие на окружающий мир. Считается, что на некоторых этапах развития живые организмы осуществляли воздействие соизмеримое с геологическим (образование атмосферы азотно-кислородного типа, синтез полезных ископаемых, таких как нефть и уголь, газ, создание коралловых островов и проч.). Однако, учитывая размеры Земли как планеты о соизмеримости можно говорить с большой долей приблизительности.

Тем не менее, главным выводом из анализа воздействия на окружающую среду живых организмов можно считать вывод о том, что все они преобразуют “старое” вещество в “новое”, не существовавшее ранее в таком виде. Данным ареалом поглощается необходимое ему вещество и выбрасывается ненужное. Значит, в области обитания со временем условия изменяются в плане усложнения. Данный биологический вид угасает, освобождая место другому.

Проблемы сохранения окружающей среды сводятся к проблемам поддержания определенного состояния почвы, водных ресурсов, воздушной среды, а также к сглаживанию флуктуационных воздействий космоса. К основным загрязнителям относятся нефтепродукты, газы и дымы (взвеси), химические вещества (например, удобрения), радиоактивные материалы, бытовой мусор и проч. Из приведенного списка видно, что экологические проблемы связаны прежде всего с человеком, с его деятельностью.

Рассмотрим пример экологического воздействия при функционировании военного объекта. Существенное изменение окружающей среды, и не в сторону улучшения, возникает уже на стадии добычи материалов для создания вооружений (руда, уголь, нефть, газ) и при их изготовлении (потребляется также вода, воздух). Дополнительные проблемы возникают при планировке и размещении объекта на местности (с учетом средств обеспечения водой, воздухом, электроэнергией, ГСМ, а также средств выброса отработанных веществ и материалов). При функционировании объекта, которое может длиться десятилетиями, в окружающей зоне накапливаются предметы жизнедеятельности, не свойственные окружающей среде (не использованные или разложившиеся химические вещества, растворители, продукты нефтепереработки, отслужившее свой срок оборудование и т.д.). Возможно и накопление радиоактивных материалов (подводные лодки с ядерными реакторами). От последнего фактора легко перейти к проблеме утилизации вооружений, являющейся весьма сложной и дорогостоящей (по возможности рассмотреть ее различные стороны и направления решения).

Не менее важной стороной рассматриваемой проблемы является социальная экология для военнослужащих. Ее задача – сохранение здоровья персонала как во время несения службы (на экологически сложном участке), так и в быту (в зависимости от местонахождения и характера работы объекта).

Таким образом, хозяйственная и военная деятельность человека все сильнее изменяют окружающий мир, усложняя тем самым его условия жизни. В заметной степени человек трансформирует географическую поверхность Земли.

4.4. Географическая оболочка Земли

О шаровидности Земли первыми сделали вывод пифагорейцы — сподвижники и последователи великого Пифагора (V век до н. э.), а доказательство этому первым нашел Аристотель (IV век до н. э.), обратив внимание на то, что тень от Земли, падающая на полную Луну, имеет круглую форму, хотя во время затмений Земля бывает повернута к Луне разными сторонами.

Размеры земного шара довольно точно первым установил древнегрече- ский математик, астроном и географ Эратосфен Керенский (III век до н. э.). Он жил в Египте, в Александрии. По его наблюдениям, в день летнего солнце - стояния (когда высота Солнца над горизонтом максимальна) в Александрии Солнце в полдень отстояло от зенита на угол, соответствующий 1/50 окруж- ности, а в Сиене (теперь это город Асуан) находилось в зените, ибо освещали дно глубоких колодцев. По его расчетам радиус земного шара равнялся 6278 км, а по современным представлениям – 6371 км.

Но уже давно исследователи фигуры нашей планеты поняли, что Земля далеко не шар. Было предложено несколько математических моделей Земли. Из них наибольшее распространение получили две: геоид и эллипсоид.

Геоид — это модель Земли, представляющая собой геометрическое тело, у которого поверхность совпадает с поверхностью среднего уровня воды в океане, находящейся в спокойном состоянии (без волн, приливов, течений, влияния изменений атмосферного давления) и мысленно продолженной под материками так, что она в каждой точке пересекает направление отвесной линии под углом 90⁰ .

Относительно геоида производятся измерения высот на суше и глубин в океане. Так, наибольшую высоту над поверхностью мирового океана — 8848 м- имеет вершина Джомолунгма (Эверест), находящаяся в Гималаях (Евразия). Впервые люди побывали на ней в 1953 году. Это были новозеландец Э. Хилгари и шерп Н. Тенцинг. Наибольшую глубину по отношению к уровню мирового океана — 11 022 м — имеет Марианский желоб в Тихом океане. Она была установлена в 1957 году российскими учеными, проводившими исследования на корабле Института океанологии АН СССР «Витязь».

Для решения геодезических и картографических задач в нашей стране и ряде других стран с 1946 года за математическую модель Земли принят так называемый эллипсоид относимости, или эллипсоид Красовского (по фамилии российского ученого, руководившего соответствующими измерительными работами). Эллипсоид как геометрическое тело представляет собой шар, сплюснутый (сжатый) у полюсов.

Одним из первых величину этого сжатия определил И. Ньютон. По его подсчетам, оно должно составлять 1: 230, а по расчетам Ф. А. Красовского, произведенным в 1940 году, — 1: 298, 3. Как показали наблюдения за движением искусственных спутников Земли, величина сжатия равна 1: 298, 2. Эти же наблюдения позволили уточнить абсолютные размеры эллипсоида относи мости. Оказалось, что экваториальный радиус Земли равен 6375, 75 км, северный полярный радиус — 6355, 39 км, южный полярный радиус — 6355, 36 км.

Ранее нами были рассмотрены сечения Земли по экватору и нулевому меридиану, подтверждающие данные расчеты.

Земля участвует в двух движениях: она вращается вокруг собственной оси и вокруг Солнца. Вследствие первого движения происходит смена дня и ночи, вследствие второго — смена времен года.

Оба эти движения приводят к тому, что все окружающие нас звезды как бы перемещаются по небосводу. Но на поверхности Земли есть одна точка, с которой наблюдатель видит точно над собой одну практически неподвижную звезду. Эта звезда является самой яркой в созвездии Малой Медведицы и называется Полярной. Прямая, проходящая через центр Земли, с одной стороны, и Полярную звезду — с другой, называется осью вращения Земли. Эта ось наклонена к плоскости, в которой Земля обращается вокруг Солнца, под углом 66⁰33'22".

Точки пересечения оси вращения Земли с ее поверхностью называются полюсами: тот полюс, с которого видна Полярная звезда, называется Север-

а) б)

Рис.2.5. Климатические пояса Земли.

ным, а противоположный — Южным. Линия сечения земной поверхности плоскостью, проходящей через центр Земли перпендикулярно оси ее вращения, называется экватором. Эта линия делит земной шар на Северное и Южное полушария.

Линии сечения поверхности земного шара плоскостями, параллельными плоскости экватора, называются параллелями. Линии сечения поверхности земного шара плоскостями, проходящими через ось вращения Земли, называются меридианами. Совокупность параллелей и меридианов на теоретически рассчитанной поверхности земного эллипсоида, шара или на глобусе называется географической сеткой.

Географическая сетка позволяет определять положение точки на земной поверхности. Для этого используются две географические координаты: широта и долгота. Географическая широта - это угол между плоскостью экватора и отвесной линией в точке, положение которой определяется. Широта отсчитывается в пределах от нуля (на экваторе) до 90⁰ (на полюсах) в сторону Северного и Южного полюсов и называется соответственно северной или южной широтой.

Географическая долгота — это угол между плоскостью меридиана, принимаемого за начальный, и плоскостью меридиана, проходящего через точку, положение которой определяется. За начальный (нулевой) принимается меридиан, проходящий через Гринвичскую астрономическую обсерваторию (Англия). Соответственно, его называют часто Гринвичским. Долгота отсчитывается в пределах от нуля (на Гринвичском меридиане) до 180⁰ (на продолжении нулевого меридиана) на восток или запад. Соответственно этому различают восточную или западную долготу. Например, географическими координатами Санкт-Петербурга являются: 59⁰ 57' северной широты и 30⁰ 19' восточной долготы.

За счет достаточно быстрого вращения Земли вокруг оси земная ось на протяжении многих и многих столетий практически сохраняет свое направление в пространстве, медленно поворачиваясь всего лишь на 50" в год, что соответствует полному обороту за 26 тыс. лет. В нашу эпоху земная ось направлена почти на Полярную звезду. Ею пользуются при ориентировке на местности: если встать лицом к Полярной звезде, то впереди будет север, справа— восток, сзади — юг и слева — запад.

Земля совершает один оборот вокруг оси своего вращения за 23 ч 56 мин 4 с. Этот промежуток времени называется звездными сутками. Сутки, которыми мы ведем счет времени в повседневной жизни, называются средними. В них содержится 24 часа и учитывается не только вращение Земли, но и ее движение (обращение) вокруг Солнца. Один оборот вокруг Солнца Земля совершает за 365 дней 6 ч 9 мин 9 с. Этот период обращения называется звездным годом.

Для удобства отсчета времени и координации жизни на Земле ее поверх- ность разделена (приблизительно по меридианам) на 24 часовых пояса, каждый из них соответствует примерно 15⁰ по долготе. Среднее солнечное время срединного меридиана часового пояса называется поясним. В смежных поясах оно различается на 1 час. Его отсчет ведется с Запада на Восток от Гринвичского меридиана. Границы часовых поясов проходят либо вдоль соответствующих меридианов на поверхности океанов, либо вдоль каких-либо естественных границ на суше. Соотношение времени суток приходится учитывать достаточно часто: при дальних и быстрых перемещениях по земному шару, при координации деятельности международных фирм и компаний, имеющих удаленные филиалы, при установлении телефонной или межкомпьютерной связи с удаленными абонентами и т. п.

Траектория Земли в ее движении вокруг Солнца (земная орбита) близка к окружности, но слегка вытянута и представляет собой эллипс. Солнце находится не в центре орбиты, а в одном из ее фокусов. Поэтому на протяжении года расстояние от Солнца до Земли периодически меняется: от 147, 1 млн. км (в начале января) до 152, 1 млн. км (в начале июля). Большая полуось земной орбиты определяет среднее расстояние Земли от Солнца. Оно равно 149, 6 млн. км. Фокус орбиты отстоит от ее центра на 2, 5 млн. км. Самая ближайшая к Солнцу точка земной орбиты называется перигелием, а самая далекая — афелием.

Вследствие обращения Земли вокруг Солнца, наклона земной оси к плоскости эклиптики и сохранения ею своего направления в пространстве на нашей планете происходит смена времен года и существуют тепловые (климатические) пояса (рис. 3).

21 марта и 23 сентября в равной мере освещены оба географических полюса Земли, и Солнце там видно только на горизонте. Линия светораздела (терминатор), отделяющая освещенное Солнцем (дневное) полушарие Земли от неосвещенного (ночного), проходит через оба полюса. Все точки земной поверхности полсуток освещаются Солнцем, а полсуток лишены освещения, то есть в эти дни года продолжительность дня равна продолжительности ночи. День 21 марта называется днем весеннего равноденствия, а день 23 сентября — днем осеннего равноденствия. После 21 марта область вокруг Северного полюса обращена к Солнцу, и в ней Солнце не заходит. Это время определяет полярный день. Область вокруг Южного полюса в это время не освещается Солнцем, то есть в ней Солнце не восходит. Здесь наблюдается полярная ночь. В Северном полушарии Земли день постепенно становится продолжительнее ночи. Солнце в полдень с каждым днем все выше поднимается над горизонтом, начинается весна. В Южном полушарии, наоборот, начинается осень. Границы полярного дня и полярной ночи постепенно отступают от полюсов и к 21 марта достигают в обоих полушариях географических параллелей 66⁰ 33'. Эти параллели являются границами холодных климатических поясов и называются полярными кругами. В этот день полуденная высота Солнца в Северном полушарии наибольшая, а в Южном полушарии — наименьшая. Начинается соответственно астрономическое лето и астрономическая зима.

После 21 июня границы полярного дня и полярной ночи приближаются к географическим полюсам и 23 сентября доходят до них, а затем снова от них удаляются. Теперь уже область полярной ночи начинает распространяться вокруг Северного полюса. В Северном полушарии с каждым днем Солнце поднимается в полдень на меньшую высоту, день становится короче ночи. Наступает осень, а затем зима. В Южном полушарии картина обратная: там наступает весна, а затем лето.

Пояс земной поверхности, ограниченный по обе стороны от экватора географическими параллелями 23⁰ 27' (северным и южным тропикам и), называется жарким, или тропическим. В этом поясе два раза в год Солнце в полдень проходит через самый зенит, и его лучи падают на земную поверхность отвесно. На самих тропиках Солнце проходит через зенит только один раз в году — 21 июня на северном тропике и 22 декабря — на южном тропике.

Между полярными кругами и тропиками лежат умеренные пояса; в них никогда не бывает полярных дней и ночей, и Солнце никогда не проходит через зенит. Таким образом, в §4 представлены научные знания о литосфере как биотической основе жизни. Показано, что ряд факторов делает Землю особой планетой Солнечной системы. При этом гидросфера – колыбель жизни, а мировой океан – “геохимический реактор”. Значительное внимание уделено изучению экологических функций литосферы. Приведены базовые данные по мировой добывающей промышленности и ее влиянию на природу. Сконцентрировано внимание на основных направлениях естественнонаучных проблем сохранения окружающей среды как для сообщества в целом, так и для военных коллективов. Выделено два основных направления экологии и раскрыты их задачи. Приведены основные сведения огеографической оболочке Земли и еепараметрах.

Контрольные вопросы:

1. Что такое литосфера? Почему её называют абиотической основой жизни?

2. Благодаря каким факторам Земля занимает особое место среди планет Солнечной системы?

3. Что такое гидросфера и какова ее роль в возникновении жизни?

*4. Мировой океан и его основные параметры.

5. Каковы доказательства эволюции жизни в океане в течение 3 млрд. лет?

6. Какой смысл несет выражение о Мировом океане как о «геохимическом реакторе»?

7. В чем суть экологических функций литосферы?

*8. Горнодобывающая промышленность: ее предмет и классификация отраслей.

9. Экологические проблемы, связанные с топливно-энергетической промышленностью.

10. Экология отходов, ее направления и возможные пути решения проблем.

11. Биологическая деятельность человека и экологические проблемы.

*12. Основные направления в ресурсной экологии.

13. Что такое «экология человека»? Каковы ее задачи?

14. Что такое «социальная экология»? Каковы ее задачи?

15. Раскройте понятия “окружающая среда”, “геобиоценоз”.

16. Экологические аспекты функционирования военного объекта.

17. Географическая оболочка Земли и ее параметры.

18. Географическая сетка, параллели, меридианы, широта, долгота.

*19. Звездные сутки, звездный год.

*20. Полярные круги, тропики.

*21. Климатические пояса Земли.