Основы экологии

Происходит «всплывание» электромагнитной энергии с линий высоковольтных электропередач. Токи промышленной частоты (50-60 Гц) генерируют низкочастотные электромагнитные волны, которые сильно поглощаются грунтом и преобразуют условия существования естественных электрических полей (особенно в городах).

Эта «подзарядка» грунтов имеет громадное значение в местах особых тектоно-физических условий, где локализуются возможности для вертикального энергоперетока. Имеются случаи, когда на участке с аномальной глубинной электропроводностью горных пород и при очень сильном геомагнитном возмущении потеря напряжения па ЛЭП достигает 100%.

Радиотехнические воздействия имеют широкое распространение и обладают громадной мощностью. Используется коротковолновый диапазон с мощностью от 6 до 360 МВт, а в импульсном режиме -- до 1000 МВт (Москва). Работы по радионакачке ионосферы начаты в 1970 г. К 1993 г. коротковолновый радиоразогрев (в диапазоне частот 1,2-12,0 МГц) осуществляется в восьми пунктах Земли.



4.2.3 Антропогенное формирование сферы космического мусора

В последней четверти текущего века появился новый термин -- космический мусор, отображающий и существо явления, и неистребимую человеческую особенность -- перекладывать недоброкачественность своей деятельности на плечи всё той же окружающей среды, в данном случае -- верхней атмосферы, ионосферы. Появление техногенного мусора на этих высотах обязано далеко идущей цели «осваивания» и «использования» космоса для закрепления успехов современной цивилизации.

Возникновение космического мусора -- следствие технической реализации успешных (около 3 тыс. разрушающихся) и безуспешных (подрывов) выводов на орбиту космических ступеней, ракет, аппаратов. 49% от общего количества фрагментов такого мусора получено путём преднамеренного подрыва изделий на орбитах. Но бывают и непреднамеренные взрывы (пример -- взрыв французской ракеты «Ариан» породил более 3 тыс. фрагментов). К настоящему времени в околоземном пространстве накопилось более 3,5 млн. фрагментов. По данным Совета национальной безопасности США, на орбитах высотой от 200 до 5500 км к 2010 году скопится 12 тыс.т мусора. Состав космического мусора ракетного происхождения: 43% -- обломки спутников и подрывы; 21% -- отработавшие космоаппараты, подрывы; 16% -- отдельные элементы, подрывы; 15% -- отработавшие ступени; 5% -- работающие космоаппараты. Сейчас число фрагментов возрастает ежегодно на 5%, а мелких осколков -- на 8-9%.

Наибольшее скопление космического мусора наблюдается на высотах в пределах от 100 до 1100 км от уровня океана. При этом в пределах 400-1000 км высоты сосредоточена максимальная концентрация космического мусора. Тепловая скорость атмосферного газа намного меньше скорости мусорочастиц (около 10 км/с). Если сравнить мусоросферу с метеоритными телами, пробивающими постоянно на высотах мусоросферы (в состоянии падения или рикошета), то окажется, что современная масса мусоросферы (около 3 тыс. т) тяжелее естественного метеорного вещества на этих высотах в 150 тыс. раз. Тормозящее значение мусоросферы уже замечено и, по оценкам Д.Кесслера, полёты будут невозможны через 20-30 лет. Очистка атмосферы до высоты 1000 км становится неизбежной даже по мотивам «дальнейшего осваивания» космоса. Самоочищение ионосферы от мусора тоже не неизбежно, но весьма длительно (от года для высот до 400 км до сотен лет для высот 1000 км). Работа по очищению ионосферы от мусора становится всё более безотлагательной, так как для спутника или другого космического аппарата встреча с осколком диаметром около 1 см уже катастрофична. При встрече с осколком особую опасность в составе мусоросферы представляют космоаппараты с радионуклидными и реакторными источниками энергии. К сожалению, все 38 радиационных спутников (31 спутник наш и 7 американских) локализованы на высотах 800-1100 км, то есть в интервале высот, где возможность столкновения с осколком наиболее высока. Запуск таких спутников опирался на представление, что время существования на этих высотах достаточно для остывания радиационных материалов до безопасных норм, то есть возможность столкновения не учитывалась. Следовательно, к общей энергетике мусоросферы (суммарная кинетическая энергия мусоросферы составляет около 3,6% от полной кинетической энергии газа на этих высотах) надо приплюсовать и радиационную энергию. Вероятность столкновения такого космоаппарата с фрагментом возрастает по мере накопления космического мусора. А такое столкновение привело бы к радиационной катастрофе.

Неясно происхождение модели интенсивного освоения космоса с аварийными и запланированными взрывами ракетоносителей и спутников на высотах 800-1000 км (всего 8-10 лет назад), поскольку всем космическим организациям известно, что на этих высотах имеется около 40 «потенциальных ядерных изделий». Столкновение спутника, оснащённого ядерным реактором, с обломком на высоте 1000 км произведёт тормозной импульс до 200 м/с, что приведёт к «приземлению» такого спутника в течение одного часа и будет сопровождаться «радиационным посевом».

4.3 Магнитосфера

Как и ионосфера, магнитосфера относится к плазменным оболочкам Земли. Планета Земля представляет собой магнит в составе Солнечной системы, магнитные силовые линии которого выходят из южного магнитного полюса (65° ю.ш., 139° в.д.) и вливаются в область северного магнитного полюса (77° с.ш., 102° з.д.) (рис.13).

Рис. 13 Магнитосфера Земли

Магнитосфера -- область околоземного пространства, физические свойства которой определяются магнитным полем Земли и его взаимодействием с потоками заряжённых частиц солнечного происхождения -- солнечным ветром. Непрерывное воздействие солнечного ветра на магнитное поле Земли (со скоростью от 400 до 700 км/с) образует фронт ударной волны, за которой и образуется полость -- магнитосфера.

Со стороны Солнца граница магнитосферы простирается на 7-10 земных радиусов от поверхности Земли. С ночной стороны отбрасываемые солнечным ветром силовые линии геомагнитного поля образуют шлейф (хвост), простирающийся далеко за орбиту Луны и достигающий орбиты Юпитера.

Магнитосфера представляет собой «мозг» планеты -- орган, который преобразует космовоздействия, в основном солнечного ветра, в электромагнитную энергию.

Магнитосфера -- тонкий электромагнитный каркас Земли, являющийся сложной и самодостаточной системой непрерывных взаимодействий разнородных плазм, электромагнитных и магнитно-акустических волн, широкого спектра энергичных частиц.

4.3.1 Естественные процессы в магнитосфере

Магнитосфера заполнена разрежённым ионизированным газом. Нижняя часть плазмосферы Земли переходит в ионосферу. Небольшое количество плазмы солнечного ветра, протекающее в полярные щели, в магнитосфере образует пояса радиации, поскольку частицы ускорены до энергии космических лучей. Несмотря на запирающие свойства магнитосферы, под воздействием солнечного ветра она генерирует электромагнитные излучения низкой и инфранизкой частоты. Так, излучения в инфранизкой частоте (менее 5 Гц) могут регистрироваться на поверхности Земли.

Планета Земля располагает мощной магнитосферой не только по сравнению с малыми планетами, но и Юпитером. Эта особенность важна потому, что в срезе современного электромагнитного преобразования Солнечной системы, именно магнитосфера планеты является восприемником и преобразователем энерго-информационных перетоков из внешних и внутренних областей планеты.

В 1989 и 1991 гг., в ходе 22-го 22-летнего солнечного цикла (начавшегося в 1986 г.) в составе солнечного ветра зарегистрирована аномальная компонента из однократно заряжённых элементов: гелия, азота, кислорода, фтора и неона, которые легко ионизируются и проникают в ионосферу Земли. Следовательно, вещественный состав верхней атмосферы Земли значительно и неуклонно пополняется новыми поступлениями биофильных (азот, кислород, фтор) и нейтральных (гелий, неон) элементов. Этот приток вещества, при участившихся регистрациях широких атмосферных ливней частиц (площадью более 1000 км), свидетельствует обо всё более нарастающем преобразовании физико-химических условий и процессов в газоплазменных оболочках Земли. С 1995 г. наступает период эндогенной реакции Земли на солнечные и планетарные воздействия в активный период. Эта реакция прежде всего выявится частым возникновением геомагнитных бурь, вызываемых активизацией магнитодинамо глубин Земли, как отклик на приток энергии от вспышечной активности Солнца. Вслед за этим последует геодинамическая реакция, связанная с вулканизмом и сейсмичностью.

Глобальные процессы свидетельствуют не только о резком изменении качества геолого-геофизической среды, климата и биосферы, но и о новом качестве отношения Солнечной системы к планете Земля. Это отношение формируется на языке энергоёмких электромагнитных процессов, и для мощных технических энергосистем Земли возникает мощный противник в виде геоэффективных вспышек на Солнце и опережающего возникновения и развития крупномасштабных межпланетных магнитных структур. Эти вспышки и магнитогенерационные процессы по своему существу являются частью механизма, корректирующего геофизический портрет Земли в соответствии со свойствами эволюции Солнечной системы.

4.3.2 Антропогенное воздействие на магнитосферу

Длительное время ракетная проработка околоземного пространства незаслуженно замалчивалась в науке и обойдена вниманием мировой общественности. Экологическая безопасность ракетных пусков была «доказана» в первые годы развития космической техники (и первых десятках стартов) на основе изучения узкого набора физических явлений в послепусковой период. Этих исследований оказалось почему-то достаточно для десятков тысяч последующих пусков без дополнительных предложений, экспериментов и расширения параметров слежения за последствиями пусков.

В составе технического воздействия на магнитное поле Земли значительная роль отводится общей энерговыработки, которая к 1990 г. составила 352,41018 Дж = 3,5241026 эрг. Эта величина энерговыработки совпадает со среднегодовой затратой энергии Земли на землетрясения, то есть если бы выработанную людьми электроэнергию пустить на землетрясения, то годовое количество их удвоилось бы. Кроме того, электровыработка привела к возрастанию числа рукотворных магнитных бурь. Так, излучения от высоковольтных линий электропередач в южной Канаде привели к увеличению буревой активности за 1935-1979 гг. почти на 25% по отношению к 1900-1935 гг. С линий электропередач идёт интенсивная «подзарядка» теллурических токов.

Колоссальная электровыработка оказывает общее воздействие на видоизменение геофизического портрета Земли. Вариации скорости вращения Земли тесно сопряжены с конфигурацией и напряжённостью межпланетного магнитного поля (ММП). Если это так, то качество и интенсивность общепланетных электромагнитных характеристик также должно сказываться на уровне взаимодействия магнитосферы Земли и ММП. Следовательно, искусственное изменение состояния магнитосферы неизбежно скажется на характере ускорения и торможения вращения Земли. К сожалению, есть серьёзные признаки такого изменения. Эти процессы изменения геомагнитных показателей прослеживаются на высотах 38-42 тыс. км над поверхностью Земли и тяготеют к стационарным орбитам (около 36 тыс. км), заполненным к настоящему времени спутниками связи. Экологически это значит: видоизменение магнитосферы, внесение помех в солнечно-земные взаимосвязи и, как результат всего этого, особый вид взаимодействия с пространственной и энергетической структурой межпланетной среды, функционирующей в режиме резонанса всей Солнечной системы.

Необходимо учесть, в качестве одного из глобальных экологических факторов, нарушение закономерного состояния радиационных поясов Земли. Если повышение радиации в нижней атмосфере беспокоит общественность, то разрушение естественных радиационных поясов всё ещё далеко от малейшего понимания подавляющего большинства жителей планеты. Причём это разрушение обязано не только высотным ядерным взрывам, ракетным пускам, но и гигантским действиям источников низкочастотного излучения.

В последнее время всё чаще появляются сведения о том, что очень низкое электромагнитное излучение от высоковольтных ЛЭП воздействует даже на магнитосферную плазму, вызывая необычное возмущение внешней магнитосферы. Эта тенденция антропогенного изменения естественного режима магнитосферы проявилась и в возникновении семидневного цикла некоторых геомагнитных параметров на высоте около 40 тыс. км. Появление семидневной пульсации техногенного характера обозначило своеобразную фильтрацию электромагнитных процессов в солнечно-земных взаимосвязях. Последствия этой фильтрации трудно оценить, но ясно, что человечество выводит себя из естественной электромагнитной среды планеты и ближнего космоса и переподчиняется искусственным электромагнитным процессам со скрытыми пока целями технического прогресса.

4.4 Распространение техногенного воздействия за пределы геокосмоса

Суммарное воздействие техники во второй половине XX века было выведено за пределы геокосмоса. Воздействию подвергались межпланетное пространство, другие планеты и Солнце. Внесение техногенных воздействий в электромагнетизм Солнечной системы вызывает глубокие и энергоёмкие последствия. Дело в том, что так называемые геоэффективные вспышки на Солнце уже оказывают сильное воздействие на работу многих технических средств и систем. Это влияние сказывается на работе линий электропередач, на трубопроводах, на спутниках, на системе связи и на точной электронике. Примером такой вспышки, которая имеет большой технический эффект, является вспышка в первом максимуме 22-го солнечного цикла активности в 1989 г.

Действительно, в событиях 13-14 марта 1989 г. чётко просматривается новое качество взаимодействия геофизических и техногенных электромагнитных процессов. Техноэффективность экстрагеомагнитной бури носила поистине некоторый предупредительный характер. Так, в северной провинции Канады (Квебек) в энергосистему Гидро-Квебек геомагнитная буря индуцировала токи с дополнительной нагрузкой на электросистему в 9450 МВт, что повысило полезную нагрузку на 44,3%. Такую дополнительную нагрузку система не выдержала и отключилась. Так 6 млн.жителей Канады остались без электроэнергии на 9 час. Много событий было в связи с электронными замками -- самопроизвольно открывались хитроумные устройства, срабатывали защитные реле, включалось и выключалось освещение и пр. Все эти события произошли в связи с тем, что магнитосфера Земли со стороны Солнца была поджата с расстояния 10 радиусов Земли до 6. Оказалось также, что геостационарные спутники как бы вышли за пределы магнитосферы Земли и «полоскались» на солнечном ветру.



ЛЕКЦИЯ 5. БИОСФЕРА

Биосфера -- одна из оболочек (сфер) Земли, состав, структура и энергетика которой обусловлены главным образом деятельностью живых организмов. Охватывает приземную часть атмосферы, гидросферу и верхнюю часть литосферы, которые взаимосвязаны сложными биохимическими циклами миграции вещества и энергии.

Возникновение и существование биосферы является принципиально важным историческим этапом эволюции Земли как планеты. Основное назначение биосферы -- использование солнечной энергии фотосинтезирующими организмами и биологический круговорот вещества, энергии и информации, который обеспечивает динамику всех жизненных процессов. Эти процессы состоят из трёх главных этапов: создания в результате фотосинтеза органического вещества первичной продукции, превращения первичной (растительной) продукции во вторичную (животную), разрушение первичной и вторичной биологической продукции главным образом микроорганизмами.

5.1 Основные свойства и функции биосферы

5.1.1 Биосфера и космическая энергия

В.И.Вернадский писал о биосфере: «Биосфера -- область жизни -- с точки зрения характера её пространства является мозаичной: она составлена из участков разного пространства» [Вернадский, 1954, с.57].

И далее: «Живое вещество более или менее непрерывно распределено по земной поверхности, оно образует на ней тонкий, но сплошной покров, в котором сконцентрирована свободная космическая энергия, выработанная им из энергии Солнца. Этот слой есть земная оболочка, которую знаменитый австрийский эколог Э.Зюсс … назвал биосферой и которая представляет одну из самых характерных черт организованности нашей планеты» [там же, с.58].

Здесь необходимо рассмотреть три положения, высказанные В.И.Вернадским.

Первое -- о пространственном распространении биосферы. Биосфера составлена из участков разного пространства, то есть живые организмы обитают в литосфере, атмосфере, гидросфере и почве. В этом смысле биосфера мозаична. Но вместе с тем она образует сплошной покров или сплошную оболочку, то есть определённое пространство, обволакивающее земной шар и проникающее в различные сферы. Особенностью этой оболочки является концентрация в ней энергии, выработанной живым веществом из космической энергии.

Здесь мы подходим ко второму положению В.И.Вернадского -- об источниках энергии, вырабатываемой организмами, которое он более полно выражает в своей другой работе:

«По существу биосфера может быть рассматриваема как область земной коры, занятая трансформаторами, переводящими космические излучения в действенную земную энергию -- электрическую, химическую, механическую, тепловую и т.д. Космические излучения, идущие от всех небесных тел, охватывают биосферу, проникают всю её и всё в ней. Мы улавливаем и сознаём только ничтожную часть этих излучений, и среди них мы изучали почти исключительно излучения Солнца» [Вернадский, 1967, с.231].

«Благодаря космическим излучениям биосфера получает во всём своём строении новые, необычайные и неизвестные для земного вещества свойства. … Вещество биосферы благодаря им проникнуто энергией, оно становится активным … Образованная им земная поверхностная оболочка не может, таким образом, рассматриваться как область только вещества, это область энергии» [там же, с.227].

«Биосфера … целиком охвачена огромной мощности источником энергии -- вновь открытой энергией, несомой космическими излучениями» [Вернадский, 1954, с.97].

Значение космической энергии в функционировании живого вещества и биосферы в целом отмечается и другими учёными: «Биосфера -- главнейшее звено в географической оболочке Земли, где осуществляются превращения космической энергии в живом веществе» [Родин и др., 1974]. «Биосфера находится под постоянным энергетическим воздействием космоса и особенно той части его пространства, которое контролируется Солнцем» [Шипунов, 1980, с.104].

Таким образом, биосфера -- сфера Земли, в которой живое вещество, организмы, принимают и трансформируют поступающую на Землю космическую энергию, или энергию космических излучений, в иные виды энергии -- электрическую, химическую, механическую, тепловую и другие. При этом согласно данным радиоастрономии, космические излучения поступают не только в пределах одной октавы видимого спектра, а охватывают десять октав. И взаимодействие этих космических излучений, как галактического, так и внегалактического происхождения, с биосферой ещё подлежит изучению.

И третье положение -- организованность биосферы.

В.И.Вернадский отмечает, что биосфера представляет особую степень организованности нашей планеты. Развивая эту идею, Ф.Я.Шипунов приходит к выводу: «Биосфера как планетная система входит в более обширную надсистему Земли, обладающую единством взаимодействия земного и космического процессов» [там же, c.19].

Антропогенное воздействие на природу с помощью технических средств (или «техники жизни», по выражению В.И.Вернадского) проникает всё глубже в недра Земли (местами буровые почти достигли мантии, а гигантские преобразования, совершаемые человеком в земной коре и на её поверхности, своим влиянием могут проникать в астеносферу) и в космическое пространство (посредством космических кораблей, ракет, разных антропогенных излучений), с прокладкой каналов связи с Луной, Венерой, Марсом, Меркурием, Юпитером и другими планетами и их спутниками.

Космическое назначение биосферы -- обеспечение планеты Земля в составе Солнечной системы постоянным источником выработки излучений определённой частоты, необходимых для поддержания межпланетарного равновесия и энергетическо-информационных связей, обеспечивающих общее эволюционное развитие Солнечной системы.

В ходе эволюции нарастала негэнтропия (отрицательная энтропия) и совершенствовалась организованность самой биосферы. Возникло человечество, и с развитием его сознательной деятельности появилась возможность формирования новой ступени организованности эволюционирующей биосферы -- ноосферы.

5.1.2 Функции биосферы в развитии Земли

В развитии природы Земли одной из важнейших функций биосферы является превращение космических излучений в электрическую, химическую, механическую, тепловую и другие виды энергии.

Важной функцией биосферы является также биогенная миграция, или биогенный обмен вещества и энергии в природе. Эта функция проявляется очень широко:

в синтезе и разрушении органического вещества;

в жизнедеятельности всех живых организмов, включая человека;

во взаимодействии всех элементов в системе каждого биогеоценоза и т.д.

Наиболее существенна геохимическая работа зелёных растений: их масса составляет более 99% всего живого вещества планеты, только они способны создавать органическое вещество и, ассимилируя химические элементы из горных пород, перерабатывать последние в новое природное тело -- почвы.

Позднее, после завершения Международной Биологической Программы, эта оценка была значительно уточнена. Коэффициент оборачиваемости вещества фитомассы (отношение годичной продукции фитомассы к общему запасу фитомассы) в океане составляет около 300, а на суше -- лишь 0,07. В итоге скорость ежегодного воспроизводства фитомассы в океане примерно в 4300 раз больше, чем на суше. При этом, общая сухая фитомасса в океане приблизительно в 12000 раз меньше общей фитомассы суши (на суше около 2400 млрд. т и в океане около 0,2 млрд. т). Такой парадокс, как известно, обусловлен преобладанием в фитопланктоне океана быстро (ежедневно) размножающихся одноклеточных водорослей.

В.И.Вернадский [1928] различает несколько основных форм биогенной миграции. В их числе:

миграция, непосредственно связанная с веществом живого организма, -- некий ток атомов, идущий из внешней среды в организм и из организма во внешнюю среду;

миграция, связанная с интенсивностью биогенного тока атомов (чем быстрее ток, тем скорее оборачиваются атомы при одном и том же количестве захваченных организмом атомов);

миграция, производимая техникой жизни организмов (постройки землеройных животных, термитов, бобров и т.д.).

Особо следует отметить, что антропогенную миграцию вещества В.И.Вернадский считал составной частью третьей из выделенных форм биогенной миграции.

Биосфера способствует поддержанию динамических равновесий в природе Земли и в круговороте вещества и энергии. «Живое вещество в значительной мере определяет устойчивость природных систем, их равновесие» [Рябчиков, 1980, с.7].

Например, промышленность мира ежегодно выбрасывает в атмосферу около 300 млн.т окиси углерода, причём наибольшее загрязнение воздуха угарным газом в приземном слое наблюдается между 40 и 50 с.ш., где расположены наиболее индустриально развитые страны. Хотя антропогенное поступление в атмосферу угарного газа в 20 раз превышает природное поступление, соответствующего повышения содержания СО в воздухе не происходит благодаря существующим процессам поддержания динамического равновесия:

в приземном слое атмосферы -- анаэробными бактериями, некоторыми микроорганизмами и адсорбцией земной поверхностью;

в почве -- обильной микрофлорой (Achromobacter guttatum, Vibrio persolans, Hydrogemonas facilis и другие в общем весе до 9 кг/га), которая живёт за счёт окисления СО, и чем выше концентрация СО, тем обильнее развивается эта микрофлора;

в верхних слоях атмосферы под действием ультрафиолетового излучения окись углерода окисляется до СО2.

Ниже всего концентрация СО у озонового слоя (озон -- активный окислитель).

В.И.Вернадский [1965] и А.М. Алпатьев [1974] выделяют газовую функцию биосферы. Биогенное происхождение в атмосфере имеют кислород, азот, углекислый газ, сероводород и некоторые другие газы.

Тесно связана с ней окислительно-восстановительная функция.

Окислительная функция проявляется в превращении бактериями и некоторыми грибами относительно бедных кислородом соединений в почве, коре выветривания и гидросфере в более богатые кислородом соединения.

Восстановительная функция осуществляется при образовании сульфатов непосредственно или через биогенный сероводород, производимый различными бактериями.

Функция концентрации рассеянных в сферах Земли элементов. Живыми организмами захватываются такие элементы, как водород, углерод, азот, кислород, натрий, магний, алюминий, фосфор, сера, хлор, калий, кремний, кальций и железо, соединения которых содержатся в теле всех живых организмов.

Некоторые организмы особенно сильно концентрируют рассеянные в сферах Земли элементы. Например:

в морской воде содержание йода ничтожно (0,06 г в 1 м3 морской воды), однако некоторые морские водоросли, особенно ламинарии («морская капуста»), накапливают в своём организме столько йода, что зола ламинарий является сырьём для добычи йода, а консервированная или сушёная морская капуста рекомендуется в пищу человеку в тех районах, где воды бедны йодом;

лангуст (большой морской рак с твёрдым панцирем и без клешней) накапливает в своём организме кобальт;

медузы концентрируют цинк, олово и свинец;

в пигменте крови асцидий (морских, обычно сидяче прикреплённых животных с телом без внутренних твёрдых частей) концентрация ванадия в миллиарды раз превышает его содержание в морской воде, поэтому в Японии на шельфах созданы «плантации» асцидий, которые используются для получения ванадия.

В последнее время чрезвычайную важность приобретает способность биосферы к самоочищению и к очищению окружающей среды.

Эта способность зависит от величины ультрафиолетовой радиации, стимулирующей различные фотохимические реакции, и от суммы активных температур воздуха и почв. На территории СНГ эти показатели изменяются с севера на юг соответственно от 100 до 800 Вт час/м2 и от 200 до 5500. Под действием этих факторов скорость разложения загрязняющих органических веществ изменяется, вероятно, подобно скорости разложения опада, показателем которой является опадно-подстилочный коэффициент (отношение массы накопившейся лесной подстилки или степного войлока к массе ежегодного надземного опада). В пределах СНГ этот коэффициент уменьшается от 75-90 в тундре до 0,7-0,3 во влажных субтропических лесах и пустынях.

В очищении окружающей среды большую роль играет почвенная фауна:

ногохвостки и клещи, несколько изменяя химический состав пестицидов, делают их безвредными для животных и человека;

дождевые черви, землеройки и кроты, перемешивая почву, способствуют закапыванию выпадающих из воздуха на её поверхность ядовитых веществ -- свинца, меди, никеля, кадмия и других тяжёлых металлов;

почвенная фауна быстро уничтожает патогенную микрофлору и яйца глистов.

Установлено, что природное очищение морской воды связано с деятельностью обитающих в воде гетеротрофных микроорганизмов (питающихся готовыми органическими веществами -- большинство бактерий и др.), отличающихся широким спектром биохимической активности при разложении белковых соединений, углеводов, минеральных соединений азота и т.д. Интересно, что наибольшей активностью отличаются микроорганизмы в самых загрязнённых участках моря. Большую роль в очищении морской воды играют также мидии -- широко распространённые моллюски с овально-клиновидной двустворчатой раковиной до 15 см длиной. Крупная мидия может пропускать через себя до 70 л воды в сутки, очищая её от механических примесей и некоторых органических соединений. Подсчитано, что только в северо-западной части Чёрного моря мидии профильтровывают более 100 км3 морской воды в сутки. К тому же мидии весьма плодовиты -- самка моллюска за период икрометания производит миллионы икринок.

Примечательно, что расширение возможностей очищающей функции биосферы идёт по пути возникновения новых трофических цепей организмов, которые начали поедать некоторые неприродные, создаваемые человеком соединения:

ряд микроорганизмов (Pseudomonas dacunae и др.) используют неприродные соединения (синтетические лактамы -- соединения аминокарбоновых кислот и аминокислоты) в своей жизнедеятельности как единственный источник азота и углерода; это позволяет очищать сточные воды при производстве пластмасс, шинного корда и технических тканей даже при концентрации загрязнителей 1 г/л;

замечен повышенный интерес к резине и пластикам автомашин у завезённых в ФРГ и размножившихся там енотов, которые разрушают автопокрышки, обрывают шланги радиаторов и т.д.

Приведённые примеры самоочищения биосферы и других сфер от загрязнения, к сожалению, носят частный характер и никоим образом не покрывают масштабы и разнообразие современного загрязнения природной среды. Иначе говоря, развитие очищающей способности биосферы всё более отстаёт от возрастающей скорости антропогенного загрязнения среды, которое уже достигло угрожающих размеров и продолжает увеличиваться. Биосфера явно не успевает адаптироваться к нарастающему воздействию человека.

Обзор основных функций биосферы убедительно показывает, насколько сложными и разнообразными путями живое вещество взаимодействует с неорганическим веществом всех сфер Земли. Становится очевидной громадная роль биосферы в эволюции планеты в целом и человека в том числе. Отсюда вытекает неотложная необходимость глубокого познания всех функций биосферы и построения всей деятельности человека таким образом, чтобы он не разрушал природные системы биосферы и не нарушал протекающие в ней природные процессы.



5.1.3 Взаимоотношения живых организмов в биосфере

В процессе развития жизни на Земле первичные живые существа разделились на две группы -- автотрофов (организмов, синтезирующих из неорганических соединений органические вещества с использованием энергии Солнца или энергии, освобождающейся при химических реакциях) и гетеротрофов (организмов, использующих для питания только или преимущественно органические вещества, произведённые другими видами, и, как правило, не способных синтезировать вещество своего тела из неорганических составляющих). Именно после того, как возникли первые автотрофы, открылись неисчерпаемые возможности для дальнейшей эволюции организмов, что привело к современному многообразию растений и животных. Но автотрофы в свою очередь не могли развиваться без гетеротрофов. Если бы органическое вещество, создаваемое растениями, не перерабатывалось гетеротрофами до степени минерализации с освобождением простых неорганических веществ, то не смог бы осуществляться круговорот вещества и энергии в биосфере, что привело бы к тому, что жизненные процессы на Земле остановились бы (рис.14).

Рис. 14 Трофические уровни: первый уровень -- автотрофы (продуценты), второй уровень -- гетеротрофы (консументы разного порядка)



Растения и животные с момента своего зарождения развиваются совместно, обусловливая возможность существования друг друга. В процессе совместной эволюции у различных видов растений и животных выработались взаимные приспособления друг к другу, столь прочные, что раздельно существовать в современных условиях они уже не могут. В этом проявляется единство растительного и животного мира.

На различных участках Земли исторически сформировались сообщества растений и животных -- биоценозы. При постоянстве внешних условий биоценозы являются устойчивыми образованиями, что обеспечивается тесной взаимосвязью растений, животных и микроорганизмов, возникших в одном месте и проделавших совместный путь эволюционного развития. О совместном участии в эволюции растений и животных свидетельствует приуроченность различных групп животных к определённым группам растений, то есть возникновение и существование биоценозов.

5.2 Почвы (педосфера)

Почвы -- особое природное образование, обладающее рядом свойств, присущих живой и неживой природе, сформировавшееся в результате длительного естественного преобразования поверхностных слоёв литосферы под совместным взаимообусловленным воздействием гидросферы, атмосферы, живых и мёртвых организмов. Почва -- одна из составных частей окружающей среды. Важнейшее её свойство -- плодородие, то есть способность обеспечивать рост и развитие растений. Это свойство почвы играет первостепенную роль в функционировании биосферы и в жизни человека.



5.2.1 Факторы и процессы почвообразования

Поскольку почва, по определению В.В.Докучаева, является естественно-историческим телом 4-го царства природы и к тому же играет существенную роль в формировании благоприятной окружающей среды, рассмотрим факторы естественного процесса почвообразования.

Почвообразующие породы, или субстрат, определяют физические свойства почвы -- водо- и воздухопроницаемость, водоудерживающую способность и др. Они определяют водный и тепловой режим почвы, скорость передвижения веществ в почве, минералогический и химический состав почвы и первоначальное содержание в ней элементов питания для растений. От характера материнских пород зависит в большой степени тип почв.

Органические соединения почвы формируются в результате жизнедеятельности растений, животных и микроорганизмов. Из этих компонентов основная роль в почвообразовательном процессе принадлежит растительности. Наибольшее количество органического вещества дают лесные сообщества, особенно во влажных тропиках. Меньше органической массы создаётся в условиях тундры, пустынь и болотистой местности.

При отмирании растений и их частей образуется корневой и надземный опад; величина его очень различна: во влажных тропических лесах 250 ц/га, в тундре менее 10, а в пустынях менее 5-6 ц/га. Растительные остатки под воздействием животных, бактерий, грибов и физических агентов разлагаются. Зольные вещества пополняют минеральную часть почвы. Неразложившийся растительный материал образует лесную подстилку в лесах или войлок в степях. Подстилка и войлок влияют на газообмен почвы, проницаемость осадков, тепловой режим и деятельность почвенной фауны и микроорганизмов.

Состав растений влияет на характер органических веществ почвы, её влажность; влияет на почву густота стояния растений.

Животные участвуют в преобразовании органического вещества почвы -- как почвенные, так и наземные. Различают биофаги (питающиеся живыми организмами или их тканями) и сапрофаги (использующие в пищу мёртвые органические вещества). Главную массу почвенных животных составляют сапрофаги (нематоды, дождевые черви и др.). На 1 га почвы приходится более 1 млн. простейших, на 1 м2 -- десятки червей, нематод и других сапрофагов. Они влияют на формирование почвенного профиля, содержание гумуса, мощность гумусовых горизонтов, структуру почвы. Наземный животный мир, принимающий участие в почвообразовании, представлен кротами, полёвками и др.

Растительные и животные остатки в почве подвергаются сложным изменениям, часть их распадается до СО2, воды и простых солей (процесс минерализации), иные переходят в новые сложные органические соединения почвы.

Велико значение микроорганизмов. Они участвуют в биологическом круговороте веществ, разлагают сложные органические вещества на более простые, используемые высшими растениями и самими микроорганизмами.

Климат -- один из важнейших факторов почвообразования. С ним связаны тепловой и водный режимы, влияющие на физико-химические и биологические процессы.

Тепловой режим -- процессы теплообмена в системе: приземный слой воздуха -- почва -- почвообразующая порода. Тепловой режим обусловливает процессы переноса и аккумуляции теплоты в почве, определяется соотношением поглощённой солнечной радиации и теплового излучения почвы, которое зависит от окраски почвы, характера поверхности, теплоёмкости и др. Влияет на тепловой режим почвы и растительность.

Водный режим определяется соотношением годового количества осадков и испаряемости, распределением и видами осадков на протяжении года, их формой.

Рельеф -- один из факторов перераспределения по земной поверхности тепла и влаги. С изменением высоты местности меняется тепловой и водный режим почвы. Рельефом обусловлена высотная поясность почвенного покрова в горах. Им же определяется влияние на почву грунтовых, талых и дождевых вод, миграция растворимых веществ.

Время -- необходимое условие для любого природного процесса. Возраст многих почв Восточно-Европейской равнины, Западной Европы, Западной Сибири и Северной Америки достигает нескольких тысяч лет.

5.2.2 Природные типы почвообразования и почв

В соответствии с термическими особенностями климата в Северном и Южном полушариях выделяются широтные почвенно-биоклиматические пояса: полярные, бореальные, суббореальные, субтропические и тропические. В основу их выделения положено сходство радиационных и термических условий, сходный характер их влияния на почвообразование, выветривание и развитие растительности (Глазовская, 1973). Их пространственное размещение иллюстрирует рис.15. Ниже приводятся характеристика существующих типов почвообразования, а также основных типов, а в некоторых случаях, и подтипов почв.



Рис. 15 Почвенно-климатические области мира (по М.А. Глазовской и Г.Н. Геннадиеву, 1995) 1 -- арктические и антарктические области полярных пустынных почв; 2 -- субарктические тундровые области арктотундровых, тундрово-глеевых и тундрово-болотных почв; 3 -- бореальные континентальные таежные области мерзлотно-таежных палевых почв, подбуров, подзолов и болотных мерзлотных почв; 4 -- бореальные и таежно-лесные умеренно-континентальные области подзолов, подзолистых и дерново-подзолистых, подзолисто-глеевых, и болотных почв; 5 -- суббореальные широколиственные лесные области буроземов, оподзоленных буроземов, глеево-элювиальных лесных и болотных почв; 6 -- суббореальные и субтропические лесо-лугово-степные области выщелоченных и оподзоленных черноземов, черноземовидных почв прерий, серых лесных почв, локально луговых солонцов и солодей; 7 -- суббореальные степные области черноземов типичных, обыкновенных, южных, каштановых почв, локально солонцов, солончаков; 8 -- суббореальные полупустынные и пустынные области бурых и серо-бурых часто солонцеватых почв и солонцов, пустынных песчанных почв, такыров, солончаков



Полярное почвообразование развивается в арктическом и субарктическом, субантарктическом и антарктическом поясах.

Тип арктических почв формируется в зоне арктических пустынь. Широко распространено физическое и особенно морозное выветривание. Из-за низких температур нет химических реакций, поэтому в коре выветривания нет глин. Почвы формируются при слабом участии микроорганизмов, преимущественно в сухих климатических условиях. Почвы маломощные, пятнами, местами имеются солончаки. Содержание гумуса в верхних горизонтах может достигать 12%, но чаще снижается до 3% и убывает книзу.

Тип тундровых глеевых почв формируется под моховой, лишайниковой и осоково-злаковой растительностью на тяжёлых суглинистых и глинистых породах над многолетней мерзлотой. При обилии воды из-за низких температур деятельность микроорганизмов вялая. Вследствие медленного биологического круговорота атомов почвы отличаются малой биомассой, слабой минерализацией растительных остатков. Типичными и подвижными в почве являются водород и железо. Почвы влажные, торфянистые и поверхностно-глеевые.

Бореальное почвообразование наиболее характерно для северных частей умеренного пояса северного полушария; в южном полушарии этот тип почвообразования почти не выражен из-за абсолютного преобладания в этих широтах океанических пространств.

Тип тундровых неглеевых (иллювиально-гумусовых) почв. Это почвы лесотундры или субполярных лесов и лугов. Формируются на хорошо дренированных супесчано-щебнистых отложениях и породах лёгкого механического состава. С наступлением похолодания происходит массовое отмирание трав, это вносит в почву большое количество органической массы, протекает иллювиально-гумусный процесс (вмывание в почву перегноя, образующегося в результате разложения органических остатков), накапливается гумус в грубогумусовом горизонте (до 6-15%).

Тип мерзлотно-таёжных (мерзлотных лугово-лесных) почв формируется в районах близкого залегания (на глубине 2-4 м) многолетней мерзлоты под лиственничной светлой тайгой. Из-за криогенных явлений возникает мозаичность почвенного покрова, подзолообразование слабое. Почва образуется на породах тяжёлого механического состава, содержит большое количество гумуса (7-15%).

Тип подзолистых почв формируется под хвойными и смешанными лесами на разнообразных почвообразующих породах, в климатических условиях несколько избыточного увлажнения. Оподзоливание представляет собой процесс почвообразования с глубоким разложением минеральной части почв и выносом продуктов этого разложения из верхней части в нижележащие горизонты. Здесь морозное выветривание уступает место химическому. Кора выветривания сиаллитно-глиногенного состава. Происходит промывание гумуса, щелочей и щелочных земель, поэтому вверху накапливается кремнезём, а внизу -- полуторные окислы. Выделяются следующие подтипы подзолистых почв.

Подтип глеево-подзолистых почв формируется на породах суглинистого и более лёгкого механического состава под северо-таёжными хвойными лесами.

Подтип подзолистых почв формируется под средне-таёжными хвойными лесами на различных породах; содержание гумуса 1-7%.

Подтип дерново-подзолистых почв формируется на породах различного состава под смешанными (хвойно-широколиственными, хвойно-мелколиственными) лесами. Эти почвы содержат больше гумуса (7,9%), чем подзолистые, так как развиваются при большем опаде. Кальций способствует аккумуляции перегноя, предохраняя его от разрушения и вымывания.

Суббореальное почвообразование развивается в южной части умеренного пояса северного полушария и в северной части умеренного пояса южного полушария.

Тип серых лесных почв формируется под южной частью лиственных лесов и лесостепями северного умеренного пояса на различных породах в условиях достаточного увлажнения. Содержание гумуса 1,5-9%.

Тип бурых лесных почв (бурозёмов) формируется под широколиственными и хвойно-широколиственными лесами. Важное место в почвообразовании бурозёмов занимает процесс оглинения почвенного профиля (процесс образования и накопления вторичных глинистых минералов в результате биохимических и химических реакций). Почвообразование протекает в условиях увлажнения, близкого к достаточному, при обильном опаде. Структура комковатая и ореховатая. Развит мощный (до 20-30 см) гумусовый горизонт с содержанием гумуса до 10%.

Тип чернозёмных почв формируется обычно на лёссах и лёссовидных суглинках под лесостепями и степями в условиях несколько недостаточного увлажнения. Опад травянистых растений чрезвычайно богат азотом и зольными элементами, ежегодный опад 100-200 т/га, причём 40-60% опада оставляют корни. Поскольку накопление гумуса в чернозёмах происходит не столько за счёт наземного растительного опада, сколько за счёт разложения отмерших корней, органическое вещество в чернозёме распространяется на значительную глубину. Периоды летнего иссушения и зимнего промерзания способствуют усложнению и закреплению гумусовых веществ. Биологический круговорот под травянистой растительностью степей приводит к значительному накоплению в почвах, кроме гумуса (6-15% и выше), таких важнейших элементов питания растений, как азота, фосфора, серы, кальция и других в форме органо-минеральных соединений. Это наиболее плодородная почва в мире. Оптимальные условия в чернозёмообразовании складывается в южной части лесостепи, в полосе типичных чернозёмов, где имеется максимальное количество растительной массы и определённый гидротермический режим.

Тип каштановых почв формируется на лёссовидных суглинках, лёссах, засолённых суглинках и глинах, продуктах выветривания песчаников и известняков в зоне сухих степей в условиях недостаточного увлажнения. Характерно наложение на дерновый процесс (почвообразование, обусловленное жизнедеятельностью растений и микроорганизмов и приводящее к накоплению в верхних горизонтах гумуса, зольных элементов, щёлочно-земельных оснований и созданию комковатой или зернистой структуры) солонцового процесса (накопления в почве на глубине 20-80 см значительного количества соды и других легкорастворимых солей). Выделяются следующие подтипы каштановых почв.

Подтип темно-каштановых почв формируется на разнообразных породах в северной подзоне сухих степей, под ковыльно-типчаковой и типчаковой растительностью с примесью разнотравья, в условиях несколько недостаточного увлажнения. Почвы отличаются довольно высоким естественным плодородием (содержат гумуса 3,5-5%).

Подтип каштановых почв формируется на разнообразных по механическому составу породах в южной подзоне сухих степей под полынно-типчаковой и полынно-типчаково-ковыльной растительностью. Содержит гумуса 1,5-4%.

Подтип светло-кашатновых почв формируется в зоне полупустынь в условиях сильно выраженного недостаточного увлажнения. Почвы на породах тяжёлого механического состава имеют значительную солонцеватость; почвы на песчаном и супесчаном основании несолонцеватые или слабосолонцеватые. Почвы малоплодородные (в верхнем горизонте содержат гумуса 1,5-2,5%) и нуждаются в дополнительном увлажнении.

Тип бурых полупустынных почв формируется в зоне полупустынь в условиях слабого поступления органических остатков из-за разреженности растительного покрова. Почвы слабо гумусированы (гумуса 1-2,5%), часто солонцеваты, малоплодородные.

Тип серо-бурых пустынных почв формируется в зоне пустынь умеренного пояса в условиях прерывистого и кратковременного гумусонакопления, в результате почвы отличаются малой гумусностью (до 1%), солонцеватостью и низким естественным плодородием.

Тип песчаных пустынных почв формируется под кустарниками с прикустовым осоково-злаковым растительным покровом песчаных пустынь. Почвы представляют собой в основном перевеянные коренные пески или древнеаллювиальные отложения, богатые по минералогическому составу. Почвы бедны гумусом (0,09-0,7%), хотя он относительно глубоко (до 30-35 см) проникает в почву.

Субтропическое почвообразование развивается в северном и южном субтропических поясах в условиях преимущественно положительных температур на протяжении всего года.

Тип коричневых почв формируется на рыхлых отложениях под ксерофитными жестколистными вечнозелёными лесами и кустарниками в условиях сезонного выпадения осадков в режиме субтропического средиземноморского климата. Характеризуется тяжёлым (тяжелосуглинистым и глинистым) составом, довольно высокой гумусированностью (5-8%) и относительно глубоким проникновением гумусовых веществ вниз по профилю почв.

Тип желтозёмов развивается под влажными субтропическими лесами с большим участием вечнозелёных растений в условиях влажного субтропического климата. Содержание перегноя в гумусовом горизонте 2-7% и быстро уменьшается с глубиной.

Тип краснозёмов формируется на красноцветных продуктах выветривания изверженных пород (преимущественно андезитов). Образуется под влажными субтропическими лесами со значительным участием вечнозелёных растений в условиях влажного субтропического климата. Содержание гумуса в перегнойно-аккумулятивном горизонте довольно велико (5-6, иногда до 10-12%), книзу быстро убывает. Исходная порода бедна кремнезёмом и богата полуторными окислами.

Тип красновато-чёрных почв субтропических прерий развивается под густой травянистой растительностью достаточно увлажнённых субтропических степей. Имеет мощный (20-40 см) комковато-зернистый гумусовый горизонт, содержащий 2-5% гумуса. Почвы плодородны.

Тип серо-коричневых почв формируется на рыхлых породах тяжёлого механического состава в зоне сухих субтропических степей под ксерофитной травянистой и кустарниковой растительностью. Имеет орехово-комковатую структуру. Содержание гумуса сравнительно невелико (1,5-4,5%), но проникновение гумусовых веществ в толщу почвы довольно глубокое. Водопроницаемость и аэрация почв невысокие из-за высокой оглинённости почвенного профиля.

Тип серозёмов образуется на лёссах и лёссовидных суглинках. Формируется под субтропической полупустынной и пустынной растительностью в условиях резко недостаточного увлажнения и непромывного водного режима. Гумусовый горизонт (содержит 1-4,5% гумуса) сменяется книзу более уплотнённым иллювиально-карбонатным горизонтом. Серозёмы отличаются высокой биологической активностью, достаточно плодородны при дополнительном увлажнении.

Тропическое почвообразование развивается в межтропических поясах (тропических, субэкваториальных и экваториальном) обоих полушарий. Характеризуется тепловым режимом, обеспечивающим возможность круглогодичного почвообразования. Почвы образуются на латеритных (ферраллитных) корах выветривания.

Тип красно-жёлтых латеритных (ферраллитных) почв формируется на ферраллитных корах выветривания кислых пород под влажными вечнозелёными тропическими лесами в условиях круглогодичного избыточного увлажнения. Почвообразование протекает весь год при громадном опаде. Происходит полное разложение органического вещества и промывание, вызывающее оподзоливание (на базальтах оподзоливание протекает слабее). Характерна пёстрая красно-жёлтая окраска подгумусовых горизонтов, связанная с разной степенью гидратации окислов железа, что обусловлено локальным переувлажнением этих почв.

Тип красных латеритных (ферраллитных) почв формируется на латеритных корах выветривания под переменно-влажными вечнозелёно-листопадными тропическими лесами и высокотравными саваннами. Имеет мощный профиль преимущественно красноватой окраски, зернисто-комковатую структуру. Содержание гумуса в верхнем горизонте 2-4%, иногда до 8%. Почвы образуются часто вследствие трансформации латеритных красно-жёлтых почв после полного или частичного сведения на них человеком лесов.

Тип красно-коричневых (коричнево-красных) почв формируется под тропическими сухими лесами и кустарниками, обладает мощным профилем преимущественно красноватой окраски. Имеет зернисто-комковатую структуру и обычно лёгкий механический состав. Содержание гумуса до 5%, хорошо выражен иллювиальный карбонатный горизонт, часты признаки солонцеватости.

Тип красно-бурых почв формируется под остепнённой низкотравной растительностью сухих тропических саванн в условиях периодически промывного водного режима. Содержание гумуса 2-3%, на глубине 20-30 см залегает иллювиально-карбонатный горизонт.