Экология. Учебник. Н.И. Николайкин. Технические науки и по специальностям в области 650000 Техника и технологии е издание, стереотипное москва 2004
 Скачать 4.61 Mb.
|
|
7.2. Геосферные оболочки Земли 245 ды. В таком гигантском леднике, как Антарктический, где толщина льда местами превышает 4 км, на глубине 1 км пузырьки воздуха исчезают, как бы растворяясь во льду. При извлечении такого льда на поверхность пузырьки восстанавливаются. Чем с большей глубины извлечены образцы ледникового льда, тем более древние образцы атмосферы можно исследовать. В толще Антарктического ледникового покрова можно обнаружить воздух, захваченный при льдообразовании несколько сотен тысяч лет назад. В целом масса газов в ледниковых льдах незначительна. Следующая по массе часть твердой гидросферы представлена морскими льдами. В момент наибольшей ледовитости в Северном полушарии количество льда оценивается в (3,2— -4,4) • 10 4 млрд та в Южном — 3 • 10 4 млрд т 1 Значительная масса льда (2 • 10 4 млрд т) сосредоточена в зонах многолетних мерзлых пород, занимающих на суше 35 млн км. Эту часть воды в твердой форме можно рассматривать как часть подземных вод. Важное значение имеет сезонный снежный покров, который при небольшой массе — 1,7 • 10 4 млрд т на всех поверхностях (морской лед, ледники, суша) в течение года значительно влияет на тепловой режим планеты исток рек. На суше сезонный снежный покров в среднем занимает свыше 40 млн км при массе 0,8 • 10 4 млрд т. 7.2.3.5. Малые составляющие гидросферы По сравнению с уже рассмотренными ледовыми образованиями, подземными водами и особенно Мировым океаном остальные компоненты гидросферы, независимо от их важности для человека либо конкретного биоценоза, по массе ничтожно малы, даже вместе взятые. Поэтому их объединяют в особую группу — малые составляющие гидросферы. В нее входят озера, реки, болота, почвенные воды и атмосферная влага. Содер- 1 Площадь постоянного морского ледяного покрова составляет 14 млн км в Северном ив Южном полушарии. В моменты наибольшей ледовитости в Северном полушарии площадь, занятая морским льдом, может достигать 18 млн км, а в Южном — 20 млн км. В среднем ежегодно морским льдом оказываются одновременно покрыты 26 млн км поверхности Мирового океана с сезонными колебаниями ± 3 млн км те. более 7% его площади, а средняя масса этого льда равна 3,5- 10 4 млрд т. 2 4 6 Глава 7. БИОСФЕРА жащаяся в живых организмах Земли вода должна бы быть отнесена к этой группе, однако особая преобразующая роль живого обуславливает отдельное рассмотрение биологической воды. Озера. Первое место среди малых составляющих гидросферы занимают озера. Их суммарная масса оценивается в 2,8 • 10 5 млрд та по другим источникам (1,76—7,5)-10 5 млрдт 1 . Это составляет ничтожную массу всей гидросферы, причем только 1,5 • 10 5 млрд т приходится на проточные пресные озера, а 1,25 • 10 5 млрд т — на соленые. Среди озер есть и такие, которые справедливо названы морями. Это крупнейшие озера мира Каспийское площадью 371, Верхнее в Северной Америке — 82,1 и Виктория в Африке — 69,0 тыс. км. В Европе самые крупные озера Ладожское — 17,7 и Онежское — 9,7 тыс. км. Самые глубокие озера Байкал — 1620 и Танганьика в Африке — 1435 м. С учетом динамики вод озера представляют собой маленькие модели океана на суше. Чем крупнее озеро и больше его глубина, тем ближе оно по своим качественным динамическим характеристикам к океану, ив этом отношении Каспийское море — действительно море. Как ив океане, вода в озерах летом часто разделена на слой перемешивания у поверхности, слой температурного скачка и более холодную глубинную воду, те. стратифицирована. Но многое определяется глубиной, размерами озера и географическим положением. Чем глубже и больше озеро, тем лучше выражена стратификация. Если же озеро неглубокое и небольшое, то слой перемешивания достигает дна и температура воды оказывается однородной по всей толще озера. Такое состояние называют гомотермией. Во многих озерах оно отмечается весной и летом. В озерах умеренной зоны и высоких широт зимой под покровом льда наблюдается обратная стратификация — с глубиной температура воды увеличивается. Это связано с уникальной особенностью воды иметь наибольшую плотность при температуре +4 С. Более плотная вода с такой температурой стремится ко дну, а более холодная (следовательно, и более легкая) поднимается вверх к ледяному покрову, где ее температура приближается к 0 СВ озерах, как ив океане, под воздействием ветра развиваются поверхностные течения, возможны подъемы глубинных Трудности оценки массы воды озер связаны с непрерывным изменением их размеров, а также с наличием на Земле бесчисленного количества малых озер, которые никто никогда не измерял. 7.2. Геосферные оболочки Земли 247 води возникновение придонной циркуляции. Дополнительные течения вызываются втекающими и вытекающими из озера реками. Озера очень разнообразны по набору и концентрации растворенных веществ, ив этом они ближе к подземным водам, чем к океану. Минерализация озер подчиняется географической зональности Землю опоясывают солоноватые и соленые озера, характерные для засушливой и пустынной зон. Соленые озера часто бывают бессточными, те. они принимают в себя реки, но из них водные потоки не вытекают, а приносимые реками растворенные вещества постепенно накапливаются в озере в результате испарения воды сего поверхности. Вода некоторых озер настолько насыщена солями, что те кристаллизуются, образуя корки разных оттенков на ее поверхности или осаждаясь на дно. Одно из самых соленых озер обнаружено в Антарктиде — озеро Виктория, вода в котором враз солонее океанской. Озера обычно моложе вмещающих их форм рельефа. Известны случаи образования озер в историческое время. В наше время крупное озеро, названное Сарезским, образовалось на Памире. Оно возникло при землетрясении в 1911 г. в долине реки Мургаб в результате гигантского обвала, перегородившего реку. Площадь озера всего 86,5 км, но ее глубина составляет примерном. Палеогеографические исследования свидетельствуют, что Средиземное море в недалеком прошлом неоднократно превращалось в озерный водоем и даже полностью испарялось, о чем свидетельствуют мощные толщи солей в его донных отложениях. Особенно изменчива жизнь озер в зонах, прилегающих к ледникам моренных озер. Существуют эфемерные озера, которые регулярно, но ненадолго появляются в одних и тех же местах. Болота Следующей по размерам малой составляющей гидросферы являются болота, представляющие собой промежуточное состояние между озерами и подземными водами. Они отличаются особым растительным сообществом, приспособленным к избыточному увлажнению и недостатку кислорода вводе. Болота умеренных и высоких широт — своеобразные ловушки органического углерода, где происходит его накопление и захоронение, прежде всего в виде торфа, состоящего из неполностью разложившихся остатков растительности. В тропических районах болота имеют вид переувлажненных земель, где органическое вещество в основном разлагается и торф не накапливается. В прибрежных морских районах болота и переувлажненные земли могут быть солеными и солоноватыми. 248 Глава 7. БИОСФЕРА Общая площадь болот и переувлажненных земель оценивается в 3 млн км, а масса воды определена недостаточно точно, хотя она весьма невелика и обычно принимается равной 1 • 10 5 млрд т. Почвенные воды Они играют огромную роль в биосфере, так как обеспечивают влагой растительный покров и внутри- почвенные организмы. Благодаря воде в тонком слое почвы идет интенсивная биогеохимическая работа, обеспечивающая ее плодородие. По интенсивности обмена с подземными водами и атмосферой эта малая составляющая гидросферы подобна поверхностным водам, по вмещающей среде и воздействию в основном капиллярных сил — подземным водам, а по содержанию растворенных веществ, газов, органического материала и организмов — это совершенно особая среда. Ее масса оценивается в (8—10) • 10 3 млрд т. Реки Они имеют наименьшее количество воды среди прочих малых составляющих гидросферы. Единовременно в руслах всех рек присутствует всего (1,2—2,0) • 10 3 млрд т. Однако реки являются быстрыми транспортерами воды, поэтому при сравнительно малом единовременном ее запасе в своих руслах реки за год доставляют к устьям 45 • 10 3 млрд т воды, что враз больше, чем другие малые составляющие гидросферы. Реки чрезвычайно разнообразны по размеру (табл. 7.8), глубине и скорости течения. Большая часть рек — это средние, малые и совсем небольшие речушки, длина которых может измеряться метрами. Крупных рек с длиной в тысячу километров и более на Земле немного — чуть больше полусотни. Общая протяженность их русел составляет 180 тыс. км, а площадь, с которой они собирают воду, — примерно половину площади суши. Речные воды обычно пресные, их минерализация приведена в табл. 7.9. Общая минерализация речных вод неустойчива, она меняется по территории и повремени года. На Севере минерализация составляет около 50 мгла на Юге — 500 мг/л. Однако существуют реки с солоноватой и даже соленой водой, являющиеся редким исключением. На севере России есть река Солянка с такой водой. Минерализация речных вод в среднем почтив раз меньше, чему морской воды. Реки текут обычно по тектонически унаследованным понижениям рельефа. Однако порой они создают новые русла или даже меняют направления течения. 7.2. Геосферные оболочки Земли 249 Таблица Крупнейшие реки мира Название реки Амазонка с Мараньоном) Миссисипи с Миссури) Нил Янцзы Обь (с Ирты шом) Хуанхэ Меконг Амур Лена Конго Длина, км 6437 5971 6670 5800 5410 4845 4500 4444 4400 4370 Площадь бассейна, тыс. км 6915 3268 2870 1808 2990 771 810 1855 2490 3820 Расход воды в устье, мс 200 000 18 000 3000 34 000 12 800 1500 14 800 10 900 16 800 41 000 Континент Южная Америка Северная Америка Африка Азия Тоже Африка Таблица Среднее содержание ионов вводах некоторых пресных наземных водотоков и водоемов Название реки, водоема Амур (около Хабаровска) Волга (пос. Поляна) Москва (около Звенигорода) Урал Нил Нева Байкал Содержание ионов, мг/л Са 2+ 9,4 48,9 41,3 76,7 15,8 7,8 15,2 Мд 2 + 2,1 10,1 9,4 14,1 8,8 2,5 4,2 2,4 11,9 2,3 20,7 11,8 2,8 6,1 17,3 63,7 79,4 83,9 84,6 13,9 59,2 3,6 61,9 7,7 42,5 46,7 5,0 4,9 3,2 14,9 4,4 53,0 3,4 4,6 1,8 2 5 0 Глава 7. БИОСФЕРА Атмосферная влага Из водяного пара в атмосфере Земли образуются облака, туманы, росы, изморозь, а также жидкие и твердые осадки. Все эти явления объединяют гидросферу с атмосферой. Единовременно в атмосфере присутствуют 14,0 • 10 3 млрд т воды, но эта часть гидросферы постоянно возобновляется и течет вместе с воздушными потоками быстрее, чем вода в реках (нередко со скоростью в десятки метров в секунду, что позволяет водяному пару обогнуть земной шар всего зане сколько дней. Масса атмосферной воды мала, но ее значение для гидросферы и биосферы в целом очень велико. Атмосферная вода всегда пресная, так как она образуется в результате испарения сводной или увлажненной поверхности, а также при транспирации воды растениями. При этом в воздухе всегда содержится некоторое количество примесей, в число которых входят и водорастворимые вещества. Образующиеся в воздухе капельки растворяют одни и захватывают другие (нерастворимые) примеси, поэтому возможно выпадение дождей различного химического состава, наиболее известными из которых являются кислотные дожди, частой причиной образования которых является присутствие в атмосфере S0 2 , NO x , HC1. До середины XX в. считалось, что выше тропосферы атмосфера сухая. Позже спектрографические исследования показали, что в слое от высоты 10,5 км и до верхней границы атмосферы воды содержится столько же, сколько ив двухкилометровом приземном слое. При этом в высоких слоях атмосферы важно непросто количество воды, а ее роль в протекающих разнообразных химических реакциях, определяющих стабильность структуры и термического режима в атмосфере. На больших высотах в атмосфере вода существует либо в твердом состоянии, либо в виде отдельных молекул, что соответствует ее состоянию в космосе. Многократное повторение цикла влагооборота приводит к тому, что ежегодно конденсируется и выпадает в виде осадков примерно враз больший объем (525 100 млрд т) воды, чем ее одновременно присутствует в атмосфере, те. среднее время оборота составляет около 9—10 сут. 7.2. Геосферные оболочки Земли 251 7.2.3.6. Биологическая вода Масса воды, содержащаяся в живых организмах, оценивается в 1,1 • 10 3 млрд т, те. меньше, чем содержат русла всех рек мира. Биоценоз биосферы, заключая в себе относительно малое количество воды, тем не менее интенсивно прогоняет ее через себя. Особенно интенсивно это происходит в океане, где вода является и средой обитания, и источником питательных веществ и газов. Основную массу биоценоза планеты составляют продуценты. Вводных экосистемах это водоросли и фитопланктона в наземных — растительность. Вводной среде растения непрерывно фильтруют воду через свою поверхность, а на суше они, как правило, извлекают воду корнями из почвы и удаляют (транспирируют) наземной частью. Так, для синтеза одного грамма биомассы высшие растения должны испарить около 100 г воды. Наиболее мощные системы транспирации на суше — это леса, которые способны прокачать через себя всю массу воды гидросферы за 50 тыс. лет при этом планктон океана профильтровывает всю воду океана за года морские организмы все вместе — всего за полгода. В биосфере работает сложный фильтр фотосинтеза, в процессе которого вода разлагается и вместе с диоксидом углерода используется при синтезе органических соединений, необходимых для построения клеток организмов. Всю массу воды гидросферы фотосинтезирующие живые организмы могут разложить примерно за 5—6 млн лета другие организмы примерно за такой же срок восстанавливают потерянную воду из отмирающей органической массы. Таким образом, биосфера, несмотря на ничтожный объем заключенной в ней воды, оказывается самым мощными сложным фильтром гидросферы на Земле. Каскад биологических фильтров пропускает через себя массу воды, равную массе всей гидросферы за время от полугода до миллионов лет. Поэтому можно утверждать, что гидросфера — это продукт живых организмов, среда, которую они создали сами для себя. Академик В. И. Вернадский выразил это тезисом Организм имеет дело со средой, к которой он не только приспособлен, но которая приспособлена к нему. 252 Глава 7. БИОСФЕРА 7.23.7. Круговорот воды Гидросфера отличается динамичностью, движущей силой которой служит круговорот воды. Круговорот воды между сушей и океаном через атмосферу оказывается весьма сложной системой, включающей частные круговороты и разветвленный каскад фильтров, в том числе биосферный, пройдя через который полностью или частично вода в конце концов снова оказывается в основном поверхностном хранилище воды — Мировом океане. В большинстве случаев для коротких промежутков времени (до десятков лет) можно считать, что обмен водой между основными составляющими гидросферы сбалансирован. Однако исследования изменений уровня Мирового океана за последние 100 лет выявили его подъем со скоростью 1 мм в год, что означает ежегодный прирост объема воды на 350 км. Этот процесс может привести к серьезным последствиям — в исторически короткий срок (те. практически скачком) уровень океана может повыситься нам. Причин, вызывающих изменение уровня Мирового океана, много. Среди них как относительно понятные, таки малоизученные. Вероятно, есть и такие, о которых пока никто не догадывается и их, следовательно, не учитывают. Одной наиболее явной причиной является постоянно усиливающийся парниковый эффект другой достаточно известной причиной — рост массы гидросферы за счет кристаллизации магмы, поступающей из недр Земли в районах рифтовых зон и вулканизма, хотя увеличение объема воды в этом случае оценивается всего в 1 млрд т или 1 км. В целом рост массы гидросферы характерен для ее эволюции. Круговорот воды — исключительно важное явление, ибо обеспечивает сушу пресной водой, которая все время возобновляется (рис. 7.19). Под воздействием солнечного тепла вода нагревается и испаряется с поверхности водоемов. Переносимые воздушными течениями пары воды затем конденсируются и выпадают в виде дождя и снега на сушу и поверхность водоемов. Основная масса испарившейся воды, равная 4,5 • 10 5 млрд т/г, выпадает на поверхность Мирового океана, таки не попав на континенты. Эта часть круговорота почему-то называется малой или океанической. Океаны неодинаково активны во влагообороте. Много воды испаряется с поверхности Индийского океана, поскольку он Снег /, Рис. 7.19. Схема круговорота воды на Земле / — над океаном II — над сушей III — над сушей и океаном IV — геологический круговорот 1 — осадочные породы 2 — граниты, 3 — базальты 4 — водоупор; 5 — морские осадки 6 — мантийное вещество 254 Глава 7. БИОСФЕРА преимущественно расположен в тропических и субтропических широтах. А в Тихом океане выпадают осадки, превышающие испарения сего поверхности. Вынесенная на сушу часть испарившейся океанической влаги включается в круговорот воды на суше, где влага испаряется с поверхности всех водоемов — рек, озер, болот и т. д. Воду испаряют и растения, откачивая ее корнями из грунта. Порой с поверхности суши, покрытой растительностью, воды может испаряться больше, чем сводной поверхности. Так, эвкалипт при благоприятных условиях испаряет воды до 150 л/сут, а береза в умеренной полосе — только 20 л за тот же период. На суше вода неоднократно выпадает в виде осадков, образуя местные круговороты. Благодаря круговороту воды гидросфера является планетарной транспортной системой, которая перемещает продукты эрозии с более высоких на более низкие уровни ив конечном итоге с суши в океан и другие водоемы. Вместе с нерастворимыми продуктами эрозии вода переносит растворенные вещества и органику. За миллиарды лет транспортная система гидросферы вынесла с суши в океан на каждый килограмм воды почти 0,6 кг разрушенных горных пород. Гидросфера служит также планетарным аккумулятором неорганического и органического веществ, которые приносится в океан и другие водоемы реками, атмосферными потоками, а также образуются в самих водоемах. 7.2.3.8. Вода как природный ресурс Водные ресурсы — это пригодные для употребления пресные воды. Они заключены в реках, озерах, подземных горизонтах, ледниках. Пары воды в атмосфере, морские воды также, как и абсолютное большинство полярных льдов и воды наиболее глубоких подземных горизонтов, в настоящее время не применяются и рассматриваются в качестве потенциальных водных ресурсов. Их будущее освоение зависит от совершенствования техники добычи, ее экономической обоснованности, а также отрешения часто непредсказуемых негативных экологических проблем, возникающих при использовании нетрадиционных источников воды. Значение воды в мировом хозяйстве огромно. Она находит применение во многих отраслях в энергетике, промышленном, коммунальном водоснабжении, ат кже при ороше- 7.2. Геосферные оболочки Земли 255 нии сельскохозяйственных угодий. В ряде случаев ее используют не только для водозабора, но ив качестве транспортных магистралей, рекреационных зон, водоемов для рыбного хозяйства. Доступные водные ресурсы рек слагаются из двух составляющих — поверхностного и подземного стока. • Подземная составляющая стока — наиболее ценная в хозяйственном отношении, так как она в меньшей степени подвержена сезонными суточным колебаниям объема. Кроме того, подземные воды реже загрязняются. Именно они формируют преобладающую часть устойчивого стока, при освоении которого не требуется сооружения специальных регулирующих устройств. • Поверхностная составляющая стока включает в себя паводковые и талые воды, обычно быстро проходящие по руслам рек. Общий объем доступных водных ресурсов мира оценивается в 41 тыс. км 3 /г, из которых только 14 тыс. км 3 /г составляют устойчивую часть. Современное общемировое потребление пресной воды в х годах прошлого столетия составило 4—4,5 тыс. км 3 /г. По прогнозам наконец второго тысячелетия будет использоваться ежегодно 5,7 тыс. км пресной воды, а еще 8,5 тыс. км загрязняться сточными водами (объем которых составит 1,3 млн км, что равно 2 1 % полного или 6 1 % устойчивого стока. Большой проблемой является то, что пресный водозапас рассредоточен по континентам неравномерно. На год каждый житель Земли в среднем обеспечен 7,5 тыс. м воды. В Европе норма водообеспечения ниже — 4,7, а в Азии всего 3,37 тыс. м 3 Человечество уже столкнулось с проблемой ограниченности водных ресурсов, а в ряде отдельных регионов планеты ее нехватка ощущается особенно остро. 7.2.4. Литосфера Литосфера (от греч. lithos — камень, sphaire — шар) — верхняя твердая (каменная) оболочка Земли, постепенно переходящая с глубиной в сферы с меньшей прочностью вещества. Она включает в себя земную кору и часть верхней мантии Земли Глава 7. БИОСФЕРА 7 . 2 . 4 . 1 . Строение литосферы Характерная особенность верхней мантии — ее рассло- енность (рис. 7.20), установленная геофизическими методами исследований. На глубине около 100 км под материками и 50 км под океанами ниже подошвы земной коры находится астеносфера (от греч asthenes — слабый sphaire — шар. Это слой, обнаруженный в 1914 г. немецким геофизиком Б. Гутен бергом. В данном слое установлено резкое снижение скорости распространения упругих колебаний, что объясняют размягченностью вещества в нем. Предполагают, что вещество там находится в твердо-жидком состоянии твердые гранулы окружены пленкой расплава. Выше астеносферы породы мантии находятся в твердом состоянии и совместно с земной корой образуют литосферу. Таким образом, считается, что мощность литосферы составляет 50—200 км, в том числе земной коры — до 75 км на континентах и 10 км под дном океана. Ниже астеносферы располагается слой, в котором плотность вещества возрастает, что увеличивает скорость распространения сейсмических волн. Слой назван в честь русского ученого Б. Б. Голицина, впервые указавшего на его существование. Предполагается, что он состоит из сверхплотных разновидностей кремнезема и силикатов. Земная кора Земная кора Земная кора континентального океанического типа континентального • 1 Ш 2 • 3 Г 4 Рис. 7.20. Строение литосферы и ее положение относительно мантии Земли 1 — осадочный слой 2 — гранитный слой 3 — базальтовый слой 4 — верхняя мантия 7.2. Геосферные оболочки Земли 257 Верхняя часть земной коры, постоянно видоизменяемая под влиянием механического и химического воздействий по- годно-климатических факторов, растений и животных, выделяется в отдельный слой, называемый корой выветривания. 7.2.4.2. Вещественный состав земной коры Химические элементы. В конце прошлого столетия американский геохимик Фрэнк У. Кларк (1847—1931) задался целью установить состав земной коры и, проанализировав около 6000 горных пород, в 1889 г. впервые получил среднее содержание различных элементов. В его честь русский геохимики минералог А. Е. Ферсман предложил среднее содержание химических элементов в земной коре называть клерками. Более поздние исследования показали, что в целом результаты Кларка были близки к истине. В настоящее время установлено, что более чем наземная кора состоит из кислорода, кремния и алюминия (табл. 7.10). Таблица 7 . 1 0 . Кларки наиболее распространенных химических элементов Химический элемент наименование Кислород Кремний Алюминий Железо Кальций символ О |