Лекции по "Геоэкология"

 Единство земной коры и биосферы находит выражение в необратимости совместной эволюции, периодичности развития (циклоидальности) отдельных ее частей и целого.

Эти факты получили выражение в концепции, рассматривающей тектонические процессы, магматизм, складкообразование и эволюцию жизни как звенья общего процесса. По представлениям В.И. Вернадского, граниты образовались за счет плавления осадочных пород.

Еще в 1939 г. В.И. Вернадский писал, что в земную кору входят биосфера, стратосфера, метаморфическая и гранитная оболочки, которые генетически между собой связаны и – взятые в целом – представляют одно явление.

Согласно учению о тектонике плит, в энергетическом цикле участвуют не только земная кора, но и мантия, засасывающая в зонах стыка плит осадочные породы, химические элементы которых при магматизме и горообразовании снова поступают в земную кору и биосферу.

СО2 и Н2О в биосфере участвуют в синтезе органического вещества, С и Н являются геохимическими аккумуляторами солнечной энергии. Они «зарядились» ею в экосистемах материков и в верхних горизонтах моря. При участии микроорганизмов эти элементы окисляются до СО2 и Н2О в других соединениях, т.е геохимические аккумуляторы «разряжаются» и отдают заключенную в них энергию. Часть энергии рассеивается в виде тепла, а часть расходуется на геохимические процессы.

По Н.В. Белову, В.И. Лебедеву, А.И. Перельману и др., алюминий и некоторые другие металлы глинистых минералов также могут аккумулировать солнечную энергию. Они подчеркнули, что в характерных магматических минералах – полевых шпатах Аl находится в центре кислородных тетраэдров, а расстояние Аl – О, составляет 0,16 – 0,175 нм. В глинистых минералах часть Аl находится в шестерной координации, в которой расстояние Аl – О уже – 0,18–0,20 нм.

Таким образом, в биосфере расстояние между Аl и О в кристаллической решетке увеличилось. На это была затрачена энергия, и, следовательно, солнечная энергия аккумулировалась при превращении полевых шпатов в глины. Поэтому с энергетической точки зрения глины являются аналогами углей и других органических веществ.

Опускаясь на большие глубины и расплавляясь, глинистые минералы превращаются в магму, из которой снова кристаллизуются полевые шпаты. При этом Аl переходит из октаэдров в тетраэдры, расстояние между ним и О уменьшается, выделяется энергия. Следовательно, энергия, поглощенная в биосфере, выделяется в магматических очагах и вместе с радиоактивной энергией может служить причиной горообразования и других эндогенных процессов.

Глинистые минералы выступают в роли «горючих ископаемых», которые в отличие от угля отдают заключенную в них энергию только при высоких температурах плавления пород.

В энергетическом круговороте закономерно меняется и количество информации. При плавлении осадочных пород разнообразие уменьшается, т.к. возникает гомогенный расплав – магма, увеличивается хаотическое движение атомов и молекул – возрастает энтропия системы.

При остывании магматического очага и кристаллизации серии изверженных пород (например, диориты – гранодиориты – граниты) геохимическое разнообразие увеличивается, информация растет. Самое большое разнообразие и уменьшение энтропии характерно для биосферы с ее миллионами видов организмов, большим числом ландшафтов, почв и других биокосных систем. В биосфере возникает новый биологический вид информации, увеличивается ее общее количество информации.

В земной коре и биосфере, следовательно, развиты две категории процессов: 1 – идущие с накоплением энергии, увеличением разнообразия, дифференциации, сложности, т.е. ростом информации и уменьшением энтропии; 2 – идущие с выделением энергии, увеличением энтропии, уменьшением разнообразия и сложности информации.

Обе категории процессов характерны как для биосферы, так и для земных глубин, но первые явно преобладают в биосфере и особенно экосистемах, а вторые – в очагах регионального метаморфизма и магматизма. В земных глубинах большое значение приобретают радиоактивный распад и другие эндогенные источники энергии.

Для земной коры и биосферы характерно взаимодействие солнечной и глубинной энергии. Энергетический цикл этой системы не замкнут в верхней части, поскольку принимает солнечную энергию и в нижней части, т.к. продукты биосферы испытывают влияние эндогенной энергии.

Еще в 1955 г. Профессор А. И. Перельман писал о необходимости рассматривать с позиций цикличности процессы биосферы и магматизма, причинные связи между ними. Он полагал, что при разработке общей теории наук о Земле нельзя игнорировать существование глубоких и обратимых связей между развитием жизни на Земле, осадкообразованием, тектоническими явлениями и магматизмом.

Именно в связях между поверхностными и магматическими процессами проявляется один из основных законов наук о Земле, а сами процессы отражают единое грандиозное по деятельности и сложности развитие земной коры.

В 90-е гг. прошлого столетия были получены новые подтверждения существования энергетического и геохимического циклов. Так например, академик А.В. Сидоренко и другие ученые писали о большом круговороте газов: «при осадкообразовании поглощается СО2 (в известняках и карбонатных породах), Н2О (в глинах), О, N, (в органических веществах), которые снова превращаются в газы при погружении осадочных толщ, их метаморфизме, переработке магматизмом и вулканизмом». Таково грандиозное «дыхание земной коры».

Таким образом, между тектономагматическими и биосферными процессами существует прямая и обратная связь, а в совокупности эти процессы образуют единый цикл.

Первопричина увеличения сложности и разнообразия эндогенных систем, которую установил Д. Рундквист и другие исследователи, возможно, состоит в развитии биосферы, увеличении ее сложности и разнообразия, прогрессивном накоплении в ней солнечной энергии.

Объяснить прогрессивное развитие эндогенных систем за счет глубинных источников трудно, т.к. количество радиогенного тепла со временем не увеличивалось, а сокращалось.

Признание земной коры динамической системой, развивающейся на основе обратных связей, ставит вопрос о центре (или центрах) этой системы, т. е. о такой ее части, которая определяет функционирование системы в целом.

Важнейшим центром динамического развития земной коры является биосфера, которая уже несколько миллиардов лет поглощает солнечную энергию и в процессе биологического и других круговоротов превращает ее в энергию геохимических процессов.

Другим важным центром управления механизмом земной коры является верхняя мантия, или нижние горизонты земной коры с очагами магматизма.

Каждый крупный цикл развития литосферы фанерозоя в начальных и завершающих стадиях характеризовался горообразованием, регрессиями морей, широким развитием аридных ландшафтов, сокращением количества органического углерода в осадках и карбонатными накоплениями в морях. В такие эпохи усиливалась динамика подземных вод, увеличивалась мощность зоны активного водного обмена, роль окислительных, нейтральных и щелочных процессов, а роль живого вещества уменьшалась.

При тектонических поднятиях кора выветривания смывалась, и геохимические поля поверхности литосферы обогащались Са, Мg ,Na Р, К и рудами, содержащими тяжелые и радиоактивные металлы. Сухой климат не способствовал выносу подвижных элементов, и живые организмы находили в почвах и водах значительные количества металлов, подвергались более сильному радиоактивному облучению. Высокое содержание Са, Р, К благоприятствовало жизни, а повышенное содержание в районах рудных месторождений Сu, Pb, Zn и других металлов могло быть вредным. Живые организмы, приспособившиеся к бедному минеральному питанию, частично вымирали, частично адаптировались к новым условиям.

Геохимические поля в эпохи горообразования вызывали изменения эволюционного процесса – «взрыв видообразования», возникали новые виды, роды, семейства. Это были эпохи хорошего минерального питания животных и растений, стремительного развития скелета. Вместе с тем это были эпохи резкого недостатка влаги, что также оказывало влияние на эволюцию.

Срединные стадии геохимических циклов с крупными трансгрессиями морей, выравниванием рельефа, увлажнением климата и ростом биомассы характеризовались накоплением органического углерода в осадках, энергичным вулканизмом и поступлением СО2 в атмосферу. В этот период на поверхности уменьшается мощность зоны активного водного обмена, усиливается роль кислых и кислых глеевых процессов, организмы слабо обеспечиваются Са, К, Nа, тяжелыми металлами и радиоактивными элементами.

Важной характеристикой геохимической экологической функции литосферы является окислительно-восстановительная обстановка в ее поверхностном слое, которая обуславливает биологический круговорот атомов и определяет своеобразие многих экосистем Земли. В эволюционном развитии литосферы выделяют три стадии: восстановительная, окислительная и окислительно-восстановительная.

Восстановительная стадия охватывает архей и нижний протерозой. Состав пород, руд и продуктов выветривания того времени указывает на господство глеевой среды с интенсивной миграцией железа и марганца. Следы бактерий и сине-зеленых водорослей обнаружены в породах возрастом около 3,5 млрд лет. Жизнь в то время, вероятно, была представлена бентосными организмами в илах озер, в прибрежных участках морей и океанов на глубине более 10 метров.

Поскольку сумма средних содержаний в земной коре (кларков) сильных катионов Nа, К, Са, Мg равна 9,83%, а сумма кларков сильных анионов Сl, S, Р, V, и N лишь 0,17%, то на основе механизма отрицательной обратной связи у организмов выработалась способность поглощать сильные анионы в десятки раз интенсивнее, чем сильные катионы. Они научились делать нейтральной вредоносную щелочную реакцию в своих телах и окружающей среде. Этим можно объяснить высокую интенсивность поглощения фосфора, который может связывать наибольшее количество катионов. Таким образом, химический состав организмов и их геохимические функции в значительной мере определялись химическим составом литосферы. В дальнейшем эволюция экосистем протекала при постоянном усилении обратного воздействия живого вещества на среду.

Окислительная стадия возникла благодаря фотосинтезу в верхнем протерозое, когда в атмосфере накопился кислород. Суша в этот период была монотонно окислительной примитивной пустыней. В нижнем палеозое в результате энергичного вулканизма количество СО2 резко возросло, фотосинтез активизировался, вновь повысилось содержание кислорода в атмосфере, с которым связывают «взрыв видообразования». На поверхности литосферы включились в миграцию большие массы магматических пород.

С девона начинается последняя окислительно-восстановительная стадия. Хотя в водах и породах автономных ландшафтов по-прежнему преобладает окислительная среда, в подчиненных, благодаря накоплению органических остатков, стала развиваться восстановительная среда. В этот период литосфера подвергается наиболее активному влиянию биоты.

Экологическая функция литосферы посредством круговоротов веществ осуществляет связь атмосферы, гидросферы и педосферы с мантией Земли, а через окислительно-восстановительные условия на поверхности литосферы определяет условия жизни и способствует эволюции организмов и биосферы в целом.

1.3. Роль атмосферы  в динамической системе Земли

Нижней границей газообразной оболочки Земли является поверхность суши и моря. Верхнюю, условную, границу атмосферы проводят на уровне, где сила притяжения компенсируется центробежной силой – 42 тыс. км над экватором и 28 тыс. км над полюсами (от центра Земли). Масса атмосферы составляет 5,15 х 1015 т, причем 99% этого количества содержится в приземном слое до 36 км.

Атмосфера несимметрична и имеет выступ в направлении, противоположном Солнцу. Этот «газовый хвост» Земли, разреженный, как у комет, имеет в длину около 120 тыс. км.

За атмосферу часто принимают ту область вокруг Земли, в которой газовая среда вращается вместе с Землей как единое целое. Ее можно разделить на: тропосферу, стратосферу и ионосферу.

Тропосфера – это нижний самый плотный слой атмосферы, примыкающий к поверхности Земли и включающий в себя более 79% всей массы (стратосфера около 20%, ионосфера менее 0,5%). Средняя высота тропосферы в средних широтах – 11 км, над полюсами – 8 км, над экватором – 16 км.

Для тропосферы характерно убывание температуры по вертикали в среднем 0,6 оС на 100 м подъема. В умеренных широтах температура на границе тропосферы – 55о, над экватором -80о.

В тропосфере зарождаются облака, выпадают осадки, происходит горизонтальное и вертикальное движение воздушных масс, что делает ее газовый состав практически постоянным (азота 78,1%, кислорода 21%, аргона 0,93%, углекислого газа – 0,03%) по объему. Содержание водяного пара может колебаться от 0.01 до 4% по объему. В поглощении солнечной радиации атмосферой главная роль принадлежит водяному пару.

Воздушная оболочка от границ тропосферы до высоты примерно 82 км называется стратосферой. Переходный слой между ними мощностью 1–2 км – тропопауза. В нижнем слое стратосферы (до 25 км) преобладает горизонтальное перемещение воздуха с запада на восток, а в верхнем обратное направление. Важной особенностью стратосферы является концентрация в ней озона (60% всей массы на высоте 15 – 35 км). Причиной образования озона служит ультрафиолетовая радиация солнца, разбивающая молекулы кислорода на атомы, которые, присоединяясь к молекулам кислорода, образуют озон О3.

Внешняя часть атмосферы – ионосфера – располагается выше 82 км до высоты около 600 км. В ней преобладают западные течения воздуха. Выше 100 км кислород и, вероятно, азот под действием ультракоротковолновой солнечной радиации полностью ионизированы. Практическое значение ионосферы заключается в том, что она, многократно отражая радиоволны, позволяет им огибать Землю и достигать любых удаленных областей. В ионосфере, как и в стратосфере, выделяются зоны повышенных и пониженных температур, а их абсолютные значения могут достигать нескольких сотен градусов. Ионосфера – это область полярных сияний.